[發(fā)明專利]一種液流電池電極活性面積的檢測方法及裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010585890.2
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111638259A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉樂;馬凱捷;席靖宇;何永紅
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳國際研究生院
• 主分類號: G01N27/48
• 分類號: G01N27/48;G01N27/30;G01N21/552
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務(wù)所 11430
• 代理人: 范盈

本發(fā)明涉及檢測技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種液流電池電極活性面積的檢測方法及裝置。本發(fā)明結(jié)合了電位掃描系統(tǒng)和光學(xué)傳感器，采用電位掃描系統(tǒng)和光學(xué)傳感系統(tǒng)同時對電極電化學(xué)反應(yīng)進行原位檢測，光學(xué)傳感系統(tǒng)通過采集電解液折射率變化引起的光學(xué)信號變化來計算電極的電流密度，電位掃描系統(tǒng)得到電極電流，兩者相除即得電極活性面積。本發(fā)明操作簡便，利用更高靈敏度的相位型光學(xué)傳感器結(jié)合電化學(xué)工作站對電極活性面積進行原位檢測的方法，給出實際參與電化學(xué)反應(yīng)的活性面積，提供了一種表征電極參與電化學(xué)反應(yīng)活性面積的技術(shù)工具。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種液流電池電極活性面積的檢測方法及裝置。

背景技術(shù)

能源問題驅(qū)使人們開發(fā)清潔能源和儲能技術(shù)，包括水分解和液流電池等。這些技術(shù)的性能提升涉及催化劑和電極活性等的改善。電催化劑負載于電極表面，改變電極表面狀態(tài)，進而改變反應(yīng)的電勢和反應(yīng)速率，使得電極能選擇電化學(xué)反應(yīng)。其中，催化劑活性面積和電極活性面積是影響其電化學(xué)反應(yīng)的重要因素之一。

根據(jù)文獻(Chem.Soc.Rev.,48,2518(2019))，表征電極活性面積的主要方法為氧化還原反應(yīng)方法、雙電層電容方法、原子力顯微技術(shù)、電子顯微技術(shù)和BET方法等。氧化還原反應(yīng)方法主要是由循環(huán)伏安曲線面積得到所有轉(zhuǎn)移電荷除以單個活性位點的轉(zhuǎn)移電荷，給出活性面積。該方法存在實驗上電極材料活性位點轉(zhuǎn)移電荷數(shù)未知以及面積積分基線難以確定等不足。雙電層電容方法是由雙電層電容除以比電容得到活性面積。該方法測得到雙電層電容可能會隨著電極電位和電極組成而改變，同時也受到副反應(yīng)影響，使得測得活性面積出現(xiàn)一致性問題。原子力顯微技術(shù)是通過測量電極粗糙度并結(jié)合光學(xué)顯微得到的幾何面積來給出電極的活性面積，該方法只適用于表面較為光滑的薄膜材料。電子顯微技術(shù)是通過測量待測物的直徑，并理想化其形狀來確定其表面積。該方法存在待測物理想形狀和實際形狀之間的差異導(dǎo)致測量結(jié)果誤差等缺點。BET方法作為目前獲取活性面積最好的選擇，其主要是借助氣體分子在待測材料固體表面的物理吸附來獲得材料的表面積。它存在測量的表面積不等于實際參與電化學(xué)反應(yīng)的活性面積等問題。因此，上述這些方法均存在各自的不足，需要發(fā)明更高效更簡便的原位表征電極活性面積的方法。

倏逝波光學(xué)檢測方法因其具有高靈敏度、高分辨率和原位無損檢測等特點而被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其能夠?qū)缑嫣幍恼凵渎首兓M行實時檢測，可以對電化學(xué)反應(yīng)電流密度進行測量。我們已申請了“一種液流電池電極局域反應(yīng)活性的在線檢測方法及裝置”專利(申請?zhí)?01811617909.6)和“一種液流電池電極電流密度分布的原位檢測方法及裝置”專利(申請?zhí)?01910060777.X)，分別利用表面等離子體共振技術(shù)對電極活性進行表征和利用全反射成像技術(shù)對電池運行過程中的電流密度分布進行原位檢測。而本發(fā)明則是利用更高靈敏度的相位型光學(xué)傳感器結(jié)合電化學(xué)工作站對電極活性面積進行原位檢測的方法，給出實際參與電化學(xué)反應(yīng)的活性面積，提供了一種表征電極參與電化學(xué)反應(yīng)活性面積的技術(shù)工具。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出一種以液流電池電極為例測量電極參與電化學(xué)反應(yīng)活性面積的原位檢測方法，采用電位掃描系統(tǒng)和光學(xué)傳感系統(tǒng)同時對電極電化學(xué)反應(yīng)進行原位檢測，光學(xué)傳感系統(tǒng)通過采集電解液折射率變化引起的光學(xué)信號變化來計算電極的電流密度，電位掃描系統(tǒng)得到電極電流，電極電流除以電流密度即得電極活性面積。

進一步地，電位掃描系統(tǒng)對電極電化學(xué)反應(yīng)進行原位檢測具體為電化學(xué)工作站驅(qū)動電極進行循環(huán)伏安測試，循環(huán)伏安測試的體系為三電極體系。

進一步地，光學(xué)傳感系統(tǒng)為三棱鏡耦合的全反射式光路系統(tǒng)，優(yōu)選為三棱鏡耦合的反射式相位型光學(xué)傳感器。

進一步地，電極上電解液中活性物質(zhì)價態(tài)變化引起折射率變化，反映到光學(xué)傳感器檢測信號中心波長改變，根據(jù)中心波長信號變化與電流密度之間的關(guān)系得到電流密度。

上述液流電池電極活性面積的檢測方法，包括以下步驟：