[發明專利]液流電池用碳氈電極材料的一種生產方法

無效

• 申請號: 201310420991.4
• 申請日: 2013-09-16
• 公開（公告）號: CN103441288A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 譚毅;張歡;施偉;李佳艷;李強
• 申請（專利權）人: 大連理工高郵研究院有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 揚州市錦江專利事務所 32106
• 代理人: 江平

技術領域

本發明涉及蓄電池生產技術領域。

背景技術

氧化還原液流電池具有電流轉換能力好、結構設計靈活、成本合理、操作簡便等優點，是一種適用于大規模蓄電儲能的新型綠色二次電池。

目前商業化的液流電池普遍采用PAN碳氈電極，但由于碳氈的惰性和疏水性還有待提高，因此，針對碳氈的改性已成為提高電極材料性能的重要手段之一。目前國內外對PAN碳氈進行改性的主要方法有空氣氧化法、液相氧化法、電化學氧化法等。這些改性方法主要是在碳氈表面增加含氧官能團，可以有助于提高液流電池用PAN碳氈的電化學活性和親水性，進而催化離子電對的氧化還原反應，增大電池的能量效率。

但上述改性措施的共性是以成品碳氈為原材料，其碳纖維表面已經完全碳化，使得碳纖維中C的結構和性能均已穩定，基于穩定C的含氧官能團引入勢必存在局限性。隨著國內外液流電池應用逐漸增多，對碳氈電極材料的需求量也在逐年增多，亟待從根本上解決碳氈電極材料的改性問題。

發明內容

本發明目的是提出一種可使改性后的碳氈電極材料中C的結構和性能相對活性的液流電池用碳氈電極材料的一種生產方法。

本發明包括以下步驟：

1）碳化：以PAN預氧化氈為原料，在具有溫度梯度的碳化爐中進行前處理；

2）活化：將碳化處理過的PAN預氧化氈置于活化區內，通入O₂或CO₂，進行反應，在PAN預氧化氈表面原位生長COOH基團。

本發明將溫度梯度的碳化爐碳化后，由活性氣體（O₂或CO₂）進行活化，使O₂或CO₂與高活性無定形碳原子發生反應，可以通過調節活化氧化氣體的濃度、時間、溫度以及碳纖維質量等因素，控制碳被氧化的反應程度，使碳氈表面形成含氧官能團的種類發生改變，實現含氧官能團的原位生長。

本發明采用特殊的碳化和活化氧化步驟，實現了碳氈電極制備與改性的一步完成，使碳氈表面形成含氧官能團的種類發生改變，實現含氧官能團的原位生長。含有不同種類和數量的含氧官能團的PAN碳氈電極可相應地應用于不同種類和規模的液流電池系統。通過對電池性能（主要為電壓效率、能量效率、電流效率）的綜合評價，可以構建含氧官能團的種類和數量與液流電池性能之間的優化匹配關系，使碳氈電極材料在液流電池中的應用達到最佳狀態。

另，本發明碳化前所述PAN預氧化氈的厚度為5～8mm。

所述碳化時，PAN預氧化氈經過的碳化爐的溫度條件為：先以10℃/min的升溫速度從300℃上升至700℃，然后以5℃/min的升溫速度從700℃上升至900℃，最后以2℃/min的升溫速度從900℃上升至1200℃。

活化時，活化區內的溫度條件為400～900℃。

活化時，所述O₂的直徑＜2nm，所述CO₂的直徑為2～50nm。

具體實施方式

一、制備液流電池用碳氈電極材料：

1、碳化：

以厚度為5～8mm?的PAN預氧化氈為原料（PAN預氧化氈的長度和寬度視生產條件和使用要求而定）。

將PAN預氧化氈放入炭化爐中，依次通過300～700℃低溫碳化區（升溫速度為：10℃/min）、700～900℃中溫碳化區（升溫速度為：5℃/min）；900～1200℃高溫碳化區（升溫速度為：2℃/min）。

取出后自然降溫至900℃以下。

2、活化：?

完成碳化后，將PAN預氧化氈繼續進入溫度為400～900℃的活化氧化區，在該區域可根據所需纖維微孔孔徑的大小通入直徑＜2nm的O₂或直徑為2～50nm的?CO₂，并可逐漸增大氧化氣體的濃度、通入時間、溫度來增強活化程度，使碳纖維表面的含氧官能團的主要種類變化依次為-OH→-C=O→COOH。

二、產品性能分析對比表：