[發明專利]一種改性碳素多孔材料的方法

有效

• 申請號: 201110430566.4
• 申請日: 2011-12-21
• 公開（公告）號: CN102522569A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 禹爭光;邱述林
• 申請（專利權）人: 東方電氣集團東方汽輪機有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 成都蓉信三星專利事務所 51106
• 代理人: 劉克勤;段雪茵

技術領域

本發明涉及電池制造及化學儲能領域，具體為一種采用等離子處理方法提高釩電池電極材料活性。

背景技術

電能是信息社會最重要的、不可或缺的二次能源，是經濟可持續發展和社會進步的保障。風能、太陽能和潮汐能等可再生能源被認為是未來電能的有效來源，在世界范圍內正日益得到關注。為保證可再生能源發電系統的穩定供電，應以蓄電儲能的方式加以調節。全釩氧化還原液流電池（簡稱釩電池）是一種新型的綠色環保儲能電池，它具有耐大電流充放電，容量易于調整，可以實現瞬間充電，壽命長等諸多優點，因此在固定式儲能方面具有廣闊的前景，引起了許多研究機構和能源企業的關注。

電極材料、隔膜和電解液是組成釩電池的關鍵材料。碳素復合類電極是釩電池常用電極材料，通常由集流體與活性材料兩部分組成。集流體起收集、傳導與分配電流作用，活性材料主要對電池正負極電化學反應起電催化作用。由于碳氈具有較好的三維網狀結構，較大的比表面積，較小的流體流動阻力，較高的電導率及化學、電化學穩定性，加之原料來源豐富，價格適中等優點，是釩電池電極活性材料的首選。

目前碳氈產品大多采用粘膠人造絲或聚丙烯腈纖維為原料，經過針刺、預氧、碳化等生產過程而制得粘膠基碳氈和聚丙烯腈基（PAN）碳氈，主要用途是高溫隔熱材料，其產品是要求具有耐高溫性和低導熱性等。而應用于釩電池電極的碳氈則要求其具有高電導率、高比表面積、高耐酸性和對釩電池電解液的高度潤濕性，以及高電化學活性。因此必需對碳氈活化處理后應用于釩電池電極材料。處理的原理是：選擇合適的方法對電極進行表面處理，以此來增加石墨纖維表面含氧官能團的量，改善其電化學活性及與電解液的相容性，提高碳氈電極的可逆性。具有電化學活性碳氈的一般是碳氈表面增加了含氧功能團（如-C-OH，-C=O，-COOH，-COOR）的數量，以及在石墨氈的表面沉積對釩電池電極反應具有催化性能的物質。

文獻報道了各種化學修飾碳氈改性的方法，如濃硫酸處理技術[詳見?SUN?B,SKYLLAS?K?M.Chemical?modification?of?graphite?electrode?for?vanadium?redox?flow?battery?application-Ⅱacid?treatment[J].Electrochimica?Acta,1992,37(13):2459-2465.]，熱處理技術[詳見SUN?B,SKYLLAS?K?M.Chemical?modification?of?graphite?electrode?for?vanadium?redox?flow?battery?application-thermal?treatment[J].Electrochimica?Acta，1992，37(7):1253-1260.]，重鉻酸鉀處理技術[詳見李俊杰，朱揚清，楊華銓.全釩氧化還原流體電池電極材料的研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2001，26(2):69-72.]，金屬離子交換等技術[詳見SUM?B,RYCHCIK?M,SKYLLAS?K?M.A?study?of?the?V(Ⅲ)/V(Ⅱ)redox?couple?for?redox?flow?cell?applications[J].Journal?of?Power?Sources,1985,15:190-199.]，電化學陽極氧化方法[詳見劉建國?等CN200710159042.?X]，先雙氧水處理后再熱處理?[詳見袁俊，余晴春。劉逸楓，等．全釩液流電池性能及其電極材料的研究[J]．電化學，2006，12(3)：271-274．]，以及過渡元素(Mn²⁺，Co²⁺和In³⁺修飾)改性[詳見Wang?Wenhong，Wang?Xindong．Study?of?the?electrochemical?properties?of?atransition?metallic?ions?modified?electrode?in?acidic?VOS04?solution[J]．Rare?Metals，2007，26(2)：131-135]。這些方法中，金屬離子修飾，步驟復雜，費用高，只局限在實驗室范圍內使用；熱活化處理操作彈性小，氧化反應不容易控制，過度氧化降低電極材料的穩定性和使用壽命；酸活化處理的效果不十分明顯；而電化學處理法是在液相化學過程，大多費用高，耗時長，處理液配制、儲存、后期處置以及操作過程都有較大對環境污染風險。并且上述所有方法都是對碳氈整體均勻處理，處理后的碳氈由于表面層碳氧化，勢必增大其與雙極板接觸電阻，這將降低組裝配后電池堆的效率。