ZIF-derived holey electrode with enhanced mass transfer and N-rich catalytic sites for high-power and long-life vanadium flow batteries

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作者
Yongbin Liu,Lihong Yu,Xin Liu,Le Liu,Jingyu Xi
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:72: 545-553 被引量:50
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2022.06.004
摘要

A nitrogen-doped multi-scale porous electrode with enhanced mass transfer and electrochemical activity demonstrates ultra-high cycling stability in a high-power vanadium flow battery. Electrode materials with good redox kinetics, excellent mass transfer characteristics and ultra-high stability play a crucial role in reducing the life-cycle cost and prolonging the maintenance-free time of the vanadium flow batteries (VFB). Herein, a nitrogen-doped porous graphite felt electrode (N-PGF) is proposed by growing ZIF-67 nanoparticles on carbon fibers and then calcinating and acid etching. The multi-scale structure of “carbon fiber gap (electrolyte flow), micro/nano pore (active species diffusion) and Nitrogen active center (reaction site)” in N-PGF electrode effectively increases the catalytic sites and promotes mass transfer characteristics. Reasonable electrode design makes the battery show excellent rate performance and ultra-high cycling stability. The peak power density of the battery reaches 1006 mW cm −2 . During 1000 cycles at 150 mA cm −2 , the average discharge capacity and average discharge energy of N-PGF increase substantially by 11.6% and 23.4% compared with the benchmark thermal activated graphite felt, respectively. More excitingly, after ultra-long term (5000 cycles) operation at an ultra-high current density (300 mA cm −2 ), N-PGF exhibits an unprecedented energy efficiency retention (99.79%) and electrochemical performance stability.
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