[發(fā)明專利]皮芯結(jié)構(gòu)石墨氈電極材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310401056.3
• 申請日: 2013-09-05
• 公開（公告）號: CN103474676A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚毅;李倩;施偉;張歡
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 賈漢生;李馨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電極材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種皮芯結(jié)構(gòu)石墨氈電極材料的制備方法。

背景技術(shù)

隨著太陽能、風(fēng)能等可再生能源的開發(fā)和利用，大規(guī)模高效蓄能技術(shù)的研究開發(fā)成為國際熱點(diǎn)。在強(qiáng)大的社會發(fā)展需求和巨大的潛在市場的推動下，大規(guī)模、高效率、長壽命、低成本、無污染的液流電池迎來了一個蓬勃發(fā)展的新時期。液流電池的正負(fù)極活性物質(zhì)（電解液）分別存儲在兩個儲液罐中，儲液罐分別與電池和泵相連，工作時通過泵把電解液打入電池使電解液循環(huán)流動。

電極材料是決定液流電池性能好壞的關(guān)鍵因素之一，尋找合適的電極材料是目前液流電池研究的一個重點(diǎn)及熱點(diǎn)。曾用作液流電池的電極材料主要有：金屬（金、鉛、鈦、鈦基鉑和鈦基氧化銥）電極、碳素（石墨板、石墨氈、玻碳、碳布和碳纖維）電極和一體化復(fù)合電極（聚丙烯、高密度聚乙烯等作為基體樹脂，摻雜炭黑、碳纖維等導(dǎo)電介質(zhì)制備而成的聚合物導(dǎo)電板與石墨氈制成的電極）。從性能和成本兩方面考慮，金屬類電極不適合大規(guī)模應(yīng)用于液流電池的電極材料，PAN基石墨氈電極及一體化復(fù)合電極成為電極材料研究的熱點(diǎn)。石墨氈在液流電池中主要起提供電化學(xué)反應(yīng)場所的作用，要求其具有較高的活性和一定的強(qiáng)度，而預(yù)氧氈經(jīng)完全碳化、石墨化后，石墨纖維表面的活性基團(tuán)含量減少，并且強(qiáng)度明顯降低，掉渣現(xiàn)象嚴(yán)重，不能滿足液流電池電極材料的需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了克服上述不足，提供一種石墨氈電極材料的制備方法，以利用此方法制備出石墨纖維表面活性基團(tuán)含量增加、強(qiáng)度升高、避免掉渣現(xiàn)象發(fā)生的電極材料。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案如下。

一種皮芯結(jié)構(gòu)石墨氈電極材料的制備方法，其特征是：包括如下步驟，

（1）預(yù)氧氈進(jìn)行不完全碳化制得碳?xì)郑?!-- SIPO -->

（2）對上述碳?xì)诌M(jìn)行不完全石墨化制得石墨氈；

（3）再對石墨氈的纖維進(jìn)行表面修飾，得到具有皮芯結(jié)構(gòu)的石墨氈電極材料。

步驟（1）是對纖維進(jìn)行不完全碳化的過程，其條件優(yōu)選如下：在真空、N₂或者Ar氣氛下進(jìn)行，碳化溫度為800-1400℃，碳化時間為1-240h。

步驟（2）是對纖維進(jìn)行不完全石墨化的過程，其條件優(yōu)選如下：在真空、N₂或者Ar氣氛下進(jìn)行，石墨化溫度為1600-2300℃，石墨化時間為1-240h。

步驟（3）是對表面纖維進(jìn)行表面修飾的過程，優(yōu)選接枝法或氧化法。

所述接枝法的條件優(yōu)選如下：將步驟（2）得到的未完全石墨化的石墨氈浸泡在濃度為0.1～10mol/L的異丙醇溶液、乙酸溶液或兩者以摩爾比1:10～10:1的混合溶液中，或者在石墨氈表面噴灑上述溶液，之后對上述浸潤后的石墨氈進(jìn)行等離子體處理，將異丙醇中的羥基、乙酸中的羧基嫁接到石墨氈的纖維表面。

所述氧化法的條件優(yōu)選如下：將步驟（2）得到的未完全石墨化的石墨氈置于空氣氣氛下，于350-700℃對其氧化0.5-8h，使石墨氈纖維表面的氫基轉(zhuǎn)化成羥基、羧基。

此外，步驟（1）使用的預(yù)氧氈厚度一般為3-10mm。

本發(fā)明通過對預(yù)氧氈進(jìn)行不完全碳化、石墨化處理，最終實(shí)現(xiàn)纖維中出現(xiàn)皮芯結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)的原理在于預(yù)氧氈進(jìn)行碳化、石墨化的過程中，預(yù)氧絲表面與芯部所處環(huán)境不同，表面的溫度較芯部高，表面較芯部易碳化、石墨化，因此通過調(diào)整碳化、石墨化的工藝過程，便可得到皮芯結(jié)構(gòu)的石墨纖維，再對其進(jìn)行表面修飾，最終得到所要求的石墨氈電極材料。

本發(fā)明通過改變碳化、石墨化工藝，升高碳化、石墨化溫度并相應(yīng)降低碳化、石墨化時間，對預(yù)氧絲進(jìn)行不完全碳化、石墨化，使纖維出現(xiàn)皮芯結(jié)構(gòu)，既保證了石墨氈的強(qiáng)度，避免了掉渣現(xiàn)象的發(fā)生，又由于不完全碳化、石墨化而降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。此外，對纖維進(jìn)行表面修飾大大提高了石墨纖維表面活性基團(tuán)含量，在石墨纖維表面保留了更多的活性基團(tuán)，提高了石墨氈的活性和潤濕性，提高了能量利用率。綜上，本發(fā)明制得的石墨氈電極材料性能大幅提高，市場前景廣闊。

附圖說明

圖1為皮芯結(jié)構(gòu)石墨氈電極材料的制備流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于這些具體實(shí)施例和附圖。

制備皮芯結(jié)構(gòu)石墨氈電極材料的流程圖如圖1所示。

實(shí)施例1