Non‐Solvent Induced Phase Separation Enables Designer Redox Flow Battery Electrodes

材料科学 电极 多孔性 化学工程 氧化还原 聚丙烯腈 流动电池 电化学 介电谱 电解质 纳米技术 聚合物 复合材料 化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Charles Tai‐Chieh Wan,Rémy Richard Jacquemond,Yet‐Ming Chiang,Kitty Nijmeijer,Fikile R. Brushett,Antoni Forner‐Cuenca
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (16) 被引量:76
标识
DOI:10.1002/adma.202006716
摘要

Abstract Porous carbonaceous electrodes are performance‐defining components in redox flow batteries (RFBs), where their properties impact the efficiency, cost, and durability of the system. The overarching challenge is to simultaneously fulfill multiple seemingly contradictory requirements—i.e., high surface area, low pressure drop, and facile mass transport—without sacrificing scalability or manufacturability. Here, non‐solvent induced phase separation (NIPS) is proposed as a versatile method to synthesize tunable porous structures suitable for use as RFB electrodes. The variation of the relative concentration of scaffold‐forming polyacrylonitrile to pore‐forming poly(vinylpyrrolidone) is demonstrated to result in electrodes with distinct microstructure and porosity. Tomographic microscopy, porosimetry, and spectroscopy are used to characterize the 3D structure and surface chemistry. Flow cell studies with two common redox species (i.e., all‐vanadium and Fe 2+/3+ ) reveal that the novel electrodes can outperform traditional carbon fiber electrodes. It is posited that the bimodal porous structure, with interconnected large ( > 50 µm) macrovoids in the through‐plane direction and smaller ( < 5 µm) pores throughout, provides a favorable balance between offsetting traits. Although nascent, the NIPS synthesis approach has the potential to serve as a technology platform for the development of porous electrodes specifically designed to enable electrochemical flow technologies.
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