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Oxygen-induced electrode activation and modulation essence towards enhanced anode redox chemistry for vanadium flow batteries

氧化还原 阳极 材料科学 流动电池 氧气 碳纤维 电化学 电极 化学工程 吸附 纳米技术 析氧 化学 复合材料 有机化学 物理化学 工程类 冶金 复合数 电解质
作者
Kaiyue Zhang,Chuanwei Yan,Ao Tang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:34: 301-310 被引量:69
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2020.10.005
摘要

The vanadium flow battery (VFB) has seen a promising potential for use in large-scale energy storage. However, the sluggish anode redox chemistry still greatly limits the cycling performance of the VFBs. Herein, we realize an enhanced anode redox chemistry for the VFBs by tailoring the oxygen functional groups on carbon felts via a facile ozone-accelerated acid oxidation method, and more importantly uncover the modulation essence of p-band center in activated carbon felts. By introducing oxygen functional groups, the activated carbon felts exhibit both increased specific surface area and improved hydrophilicity over pristine carbon felts. Material and electrochemical characterizations indicate that an increased oxygen content in the carbon felts can substantially facilitate the V2+/V3+ redox kinetics. Benefiting from the enhanced V2+/V3+ kinetics, the VFB full cell delivers a superior energy efficiency of 72.8 % at 300 mA cm−2, and a long-term cycling stability is also achieved over 600 consecutive charge-discharge cycles at 150 mA cm−2 with only a 6.5% decay in energy efficiency. Most importantly, first principle calculations uncover that the oxygen function groups, especially carboxyl, can enhance the adsorption process but meanwhile to a certain extent suppress the charge transfer process for the V2+/V3+ redox reactions, which highlights the significance of delicate modulation of oxygen function groups on carbon felts to enhancing anode redox chemistry and full cell performance for the VFBs.
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