在众多的液流电池体系中,Fe/Cr液流电池最有望成为具有成本效益的储能系统,在储能市场中具有广阔的应用前景。提高Fe/Cr液流电池的功率密度,可以减少材料的消耗,进一步扩大Fe/Cr液流电池的成本优势。然而,增大功率密度的同时,也会增加极化损耗,导致电池能量效率下降。因此,为了保持可接受的能量效率,提高Fe/Cr液流电池功率密度的关键是将电池中各种极化最小化。作为关键部件之一,碳毡是Fe/Cr液流电池最常用的电极材料。在碳毡的制备过程中,碳化和活化是决定碳毡性能的关键工艺,对碳毡表面的浓差极化、电化学极化和欧姆极化起着至关重要的作用。为最大程度减小上述极化,碳毡的各项性能之间相辅相成却又相互制约。然而目前Fe/Cr液流电池中碳毡与极化之间的构效关系尚未得到明确,极大地限制了 Fe/Cr液流电池的发展。因此基于碳毡现有碳化及活化理论的不完善性,本文围绕前驱体材料、碳含量、含氧官能团以及表面催化剂四个关键问题开展研究,明晰其对碳毡极化行为的影响机制,为Fe/Cr液流电池的发展提供理论基础和依据。首先,对比了由不同前驱体材料制得的粘胶基碳毡和聚丙烯腈基碳毡的结构特性,测定了二者的电化学性能,并得到了上述材料在Fe/Cr液流电池中的应用性能。明确提出表面传质是影响两种碳毡极化行为的主要控制步骤。粘胶基碳毡的表面粗糙度更大,有利于Fe/Cr电解液在其表面传质。然而,由于聚丙烯腈基碳毡的前驱体更易石墨化,使毡体的石墨化程度更高,电导率更大,产生的欧姆极化损失更小。同时,在Fe/Cr电解液中聚丙烯腈基碳毡表现出较好的电化学活性和动力学可逆性,尤其是正极Fe2+/Fe3+电对在聚丙烯腈基碳毡上的电荷传递速度更快,使得正负极反应速率差距较大。应从扩大表面传质和提高负极反应活性方面,进一步开发成本较低的聚丙烯腈基碳毡。其次,针对聚丙烯腈基碳毡碳含量与极化的构效关系问题,研究了碳含量为90～99.2%碳毡的结构演变,及其在Fe/Cr电解液中的电化学性能。研究结果表明,上述碳含量范围内碳毡的电化学性能取决于电化学极化和欧姆极化。高纯度和高碳网结晶度的碳毡加快了电子传输以及负极Cr3+/Cr2+离子的电极反应,有助于降低欧姆极化和电化学极化。以含碳量为99.2%的碳毡作为电极材料,其Fe/Cr液流电池性能最好,60 mA/cm2充放电电密下能量效率达到82.88%,比传统Fe/Cr液流电池提高了 12.88%。此外,碳含量为90～99.2%时,碳毡的孔结构和表面结构未对浓差极化构成影响,并且高碳含量碳毡的微晶结构更有利于降低欧姆极化。对于正极反应,碳毡结构中C=O官能团的双电层效应限制了-OH官能团的桥氧作用,碳含量为98%时碳毡的电催化活性最高;而对于负极反应,随着碳含量的增加,碳网平面结晶度增大,碳毡电化学极化减小;碳网内C=O官能团的双电层效应对负极反应具有协同增强作用,并且在碳含量为96%时较为显著。在上述工作的基础上,研究了含氧官能团对聚丙烯腈基碳毡结构和极化的影响,并分别建立了边缘面氧官能团和平面氧官能团与碳毡极化之间的构效关系。研究表明,在氧官能团的作用下,碳毡电化学性能主要取决于电化学极化和浓差极化。碳毡中边缘面氧官能团有利于活化Fe/Cr液流电池的正极反应。在边缘面氧官能团的作用下,当碳毡表面OH官能团数量小于1.6%时,OH官能团的桥氧作用与C=O官能团的双电层效应相互限制,使得碳毡中-OH官能团数量为1.25%时其电催化作用最大;OH官能团数量进一步提高有利于削弱C=O官能团的双电层效应。碳毡中平面氧官能团有利于活化Fe/Cr液流电池的负极反应。平面氧官能团在碳网平面结构的耦合作用下,碳毡表面C=O官能团数量为2%时其电催化作用最大。平面氧官能团对负极Cr3+/Cr2+离子的吸附作用大,碳毡表面氧化刻蚀的深入有利于降低浓差极化以及增加循环稳定性。边缘面氧官能团和平面氧官能团的形成过程中,碳毡碳网平面结构的损失是欧姆极化增大的主要原因。最后,为进一步降低电化学极化,Fe/Cr液流电池充电的同时在负极碳毡上沉积催化剂Bi。Bi对碳毡的活化机制主要取决于BiHx的形成反应,该反应受电荷转移和扩散的混合控制。采用Bi活化的碳毡作电极材料,在室温下Fe/Cr液流电池仍能充放电,且在60mA/cm2下能量效率达到63.15%。Bi的沉积电密随沉积量的增加而适度增大。相对于其他催化剂对碳毡的改性效果,在50 mA/cm2沉积电密下,以Bi担载量为10 mg/cm2的碳毡作为电极材料,使得Fe/Cr液流电池的能量效率同比其他表面催化剂高出5～15个百分点。