Temperature-dependent defect formation and its effect on the performance of graphite felt electrodes in vanadium redox flow batteries

Abstract

Die fortschreitende Klimakrise erfordert Weiterentwicklung bei erneuerbaren und effizienten Energiespeicherlösungen. Vanadium-Redox-Flow-Batterien stellen aufgrund ihrer einfachen Skalierbarkeit und ihres Potenzials für umfassende Energieanwendungen eine vielversprechende Technologie dar. Graphitfilzelektroden dienen als wichtige Elektrodenkomponente und fördern die Vanadium-Energiespeicherreaktion. Diese Arbeit untersucht, wie Aktivierungsparameter, insbesondere Temperatur und Dauer, die Leistung von Graphitfilzelektroden beeinflussen, um die zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären und eine umfassende Parameter-Leistungsmatrix zu erstellen. Um ein tieferes Verständnis der Prozesse zu erlangen, die während der thermischen Aktivierung an der Oberfläche der Graphitfilzelektrode und an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Stromableiter ablaufen, wurden sechs Aktivierungstemperaturen im Bereich von 300 °C - 550 °C mit einer Dauer von einer und zwanzig Stunden angewendet. Die Homogenität wurde durch die gleichzeitige thermische Behandlung von zehn gestapelten Filzbögen und die Analyse repräsentativer Schichten auf Gleichmäßigkeit innerhalb und zwischen den Schichten bewertet. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Korrelation zwischen Aktivierungsparametern, Elektrodenoberflächeneigenschaften und Leistungskennwerten. Diese Erkenntnisse liefern einen Parameter-Leistungs-Rahmen für die Optimierung von Graphitfilzelektroden in industriellen Energiespeichersystemen.

The growing climate crisis necessitates advancements in renewable and efficientenergy storage solutions. Vanadium redox flow batteries are emerging as apromising technology due to their easy scalability and potential for large-scale energy applications. Graphite felt electrodes serve as a key electrode component, facilitating the vanadium energy storage reaction. This thesis investigates how activation parameters, specifically temperature andduration, affect the performance of graphite felt electrodes, to elucidate the underlying mechanisms and construct a comprehensive parameter performance matrix. To gain a deeper understanding of the processes occurring on the surface of the graphite felt electrode and the electrode-current collector interface during thermal activation, six activation temperatures ranging from 300 °C - 550 °C, with durations of one and twenty hours, were applied. Homogeneity was assessed by thermally treating ten stacked sheets simultaneously and analyzing representative layers for uniformity within and between sheets. Results reveal clear correlations between activation parameters, electrode surfaceproperties, and performance metrics. These findings provide a parameter–performance framework for optimizing graphite felt electrodes in industrial-scale energy storage systems.