随着清洁能源产业迅猛发展,规模化储能技术成为了科研工作者研究的焦点。钒氧化还原液流电池因其优异的运行效率、超长的循环周期和较小的交叉污染,在众多大规模储能系统中脱颖而出。然而,较低的功率密度和不菲的运行成本,阻碍了钒液流电池在储能市场的推广。提高钒电池在高电流密度下的充放电性能,是当前克服上述问题的一种切实可行的方法。然而,在提高电流密度的同时,电池内部的极化,包括活化极化,欧姆极化以及浓差极化,将不断增大。作为钒离子氧化还原反应进行的场所,电极对电池性能的影响显著。通过对电极表面结构进行功能化的改进,钒离子的转化速率将得以提高,有助于降低电池的活化极化。通过对电极纤维进行石墨化处理,电极的电导率将得以提升,从而降低电池的欧姆极化。通过对电极的孔隙率和亲水性进行精确调控,钒离子在电极界面处的转移速率将得以提升,有利于降低电池的浓差极化。因此,针对电极结构的研究有着重要的意义。本论文根据钒离子在电极表面反应的原理,对钒氧化还原液流电池用电极的结构进行了系统性的设计,并根据设计结果进行定量制备。结合计算模拟技术以及多种表征手段,对电极结构与电池性能之间所建立的构效关系进行了深入的探讨,结果如下:首先,采用简单的乙醇裂解策略,设计并制备了具有双梯度结构的碳纳米纤维/石墨毡复合电极。宏观尺度上,碳纳米纤维沿石墨毡厚度方向上梯度分布。微观尺度上,氧官能团沿负载有碳纳米纤维的石墨纤维径向上梯度分布。结果表明,具有双梯度结构的碳纳米纤维/石墨毡复合电极的电化学性能要优于商业石墨毡电极。值得注意的是,该种电极的电化学性能可以通过调控碳纳米纤维生长量和氧官能团掺杂量的方式进行深度优化,以获得最佳的电池性能。当电流密度为100 mA cm-2时,电池的能量效率达到了 82.19%。其次,根据上述设计理念,采用静电纺丝的方法,在微米级和纳米级尺度上构建了具有双重结构的一体化电极。对于微米级尺度结构,临近隔膜一侧的反应区和靠近双极板一侧的电子传输区被分别构建,以优化活化区域和导电区域的面积。对于纳米级尺度结构,具有富氧梯度纳米孔的催化层和具有电子传输通道的导电层被分别构建,以提升电极的电化学性能和导电性能。通过调控造孔介质碳酸钙纳米颗粒的含量以及纺丝时间,可以对电极的电化学性能做进一步的优化。结果表明,装配有该种电极的电池在250 mA cm-2的电流密度下,能量效率达到了 80.28%。最后,为了实现钒电池在超高电流密度下高效运行的目标,采用仿真模拟的技术手段对电极结构进行了设计。结果表明,具有流道结构的电极纤维,具备快速传质的特性,满足了电池在超高电流密度下高效运行的前提条件。随后,引入急速淬火诱导开裂的策略,在电极纤维的表面上成功构建了平行排列的微米级流道。研究结果表明,通过控制淬火温度,流道的深度可以被精细调控。装配该种电极的电池在500 mA cm-2电流密度下,能量效率最高可达80.44%。