[發(fā)明專利]獨(dú)立微管、制備其的方法與其用途、電極與膜電極組合件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201480050600.7
• 申請(qǐng)日: 2014-07-14
• 公開（公告）號(hào): CN105682775B
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 伍里·根迪爾;馬緹亞斯·維斯靈;安納·大衛(wèi)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 迪威安德亞琛工業(yè)E.V.
• 主分類號(hào): B01D53/22
• 分類號(hào): B01D53/22;C25D13/02;H01M4/36;H01M4/587;H01M4/62;H01M4/88;H01M4/90;H01M4/92;H01M8/16;H01M8/18
• 代理公司: 北京同立鈞成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11205
• 代理人: 楊貝貝;臧建明

本發(fā)明提供一種獨(dú)立微管、制備其的方法與其用途、電極與膜電極組合件。本發(fā)明的獨(dú)立微管由碳納米管或基于碳納米管的復(fù)合物制成，所述獨(dú)立微管具有500μm到5000μm范圍內(nèi)的外徑和50μm到1000μm范圍內(nèi)的壁厚度。根據(jù)本發(fā)明的微管可根據(jù)所要幾何形狀(外徑和內(nèi)徑以及長度)、孔隙度、電導(dǎo)率和催化活性而形成，具有出色的孔隙度、機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性、電化學(xué)特性、高電和熱導(dǎo)率以及高表面積和比電容。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及由碳納米管或基于碳納米管的復(fù)合物制成的微管。本發(fā)明還涉及使用由碳納米管或基于碳納米管的復(fù)合物制成的此些微管作為獨(dú)立電極或與集電器集成或作為電化學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用的膜電極組合件的一部分，所述電化學(xué)系統(tǒng)例如初級(jí)和二次電池、氧化還原流電池組、燃料電池、電化學(xué)電容器、電容性消電離系統(tǒng)、電化學(xué)和生物傳感器裝置或太陽能電池。由碳納米管或基于碳納米管的復(fù)合物制成的微管的另一用途涉及將其應(yīng)用為用于水或廢水過濾、用于含水和有機(jī)溶劑過濾、用于血液過濾、用于氣體分離過程、用于氣體和液體吸附過程或用于傳感器應(yīng)用中的受支撐或未受支撐管狀膜。

背景技術(shù)

例如燃料電池、電化學(xué)電容器和氧化還原流電池組等電化學(xué)系統(tǒng)當(dāng)今被認(rèn)為是用于電能轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)(electrical energy conversion and storage，EECS)的有前景的技術(shù)，其對(duì)于常規(guī)電廠的恰當(dāng)能量管理以及從太陽輻射、風(fēng)電廠、可再生燃料、波動(dòng)力和其它來源獲得的可再生能量的有效利用是必需的。當(dāng)今正為開發(fā)例如泵浦水電存儲(chǔ)(pumpedhydroelectric storage，PHS)、壓縮空氣能量存儲(chǔ)(compressed air energy storage，CAES)、飛輪等“常規(guī)”電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行的電化學(xué)替代方式而作出巨大努力。過去7年間觀察到的電化學(xué)電能轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)系統(tǒng)的領(lǐng)域中的公開案的數(shù)目的急劇增加是最近的將來這些系統(tǒng)的重要性的完美指示。

大多數(shù)電化學(xué)EECS電抗器的核心為膜電極組合件(membrane electrodeassembly，MEA)。典型的MEA包括通過膜分隔開的兩個(gè)多孔電極，所述膜既定避免電極的直接接觸且經(jīng)由離子物質(zhì)的選擇性或非選擇性傳送而閉合電路。

分別被稱為陽極和陰極的電極上發(fā)生氧化和還原過程。圖1展示用以提供利用MEA的EECS系統(tǒng)的實(shí)例的全釩氧化還原流電池(All-Vanadium Redox Flow Battery，AVRFB)的典型結(jié)構(gòu)。在AVRFB中，MEA由通過膜分隔開的兩個(gè)多孔電極構(gòu)成。存儲(chǔ)化學(xué)能的電解質(zhì)是硫酸以及分別耦合在正和負(fù)半電池中的V⁴⁺/V⁵⁺和V²⁺/V³⁺釩的水溶液。存儲(chǔ)在AVRFB中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為多孔電極上的電能(且反之亦然)，同時(shí)充放電反應(yīng)期間產(chǎn)生或消耗的質(zhì)子(等式1-2)選擇性地經(jīng)由通常為納菲(Nifion)類型或由全氟磺酸或磺化聚芳醚制成的質(zhì)子導(dǎo)電膜(proton conductive membrane，PEM)傳送。

通常，比如燃料電池和氧化還原流電池組等電化學(xué)EECS系統(tǒng)包括許多MEA與通過膜分隔開(參看圖2)的雙極(或單極)電極的堆疊。

AVRFB中應(yīng)用的電極由碳制成，即碳纖布、毛氈、紙等。事實(shí)是，由含碳材料制成的電極在大多數(shù)類型的電化學(xué)EECS系統(tǒng)中使用，例如氫、甲醇、醇、甲酸、氨、微生物和其它燃料電池；鋰電池組；以及電化學(xué)電容器。

令人遺憾的是，電化學(xué)EECS系統(tǒng)的全規(guī)模應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)上仍是不可行的。為解決此障礙，電化學(xué)電抗器的性能必須改進(jìn)，同時(shí)主要目標(biāo)是增加系統(tǒng)的電力和/或能量密度，其是表征電化學(xué)EECS系統(tǒng)的性能的兩個(gè)主要參數(shù)。改進(jìn)電化學(xué)EECS裝置的性能的基本方法是增加其組件的利用效率。

可經(jīng)由電池幾何形狀的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)材料的較好利用和較高電力密度。類似于氧化還原流電池組和燃料電池中使用的常規(guī)平面膜電極組合件，管狀MEA還包括三個(gè)基本層：正電極、負(fù)電極和電極之間的膜。圖3上展示此管狀MEA的一般結(jié)構(gòu)。