[發明專利]一種改性碳素材料及由其制備的類石墨烯納米片修飾的液流電池電極

有效

• 申請號: 201810162841.0
• 申請日: 2018-02-27
• 公開（公告）號: CN110197905B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 吳雄偉;高雨;黃鵬;林遠騰;王治安;王泓睿;胡永清;劉俊
• 申請（專利權）人: 湖南省銀峰新能源有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 劉元霞

本發明提供一種改性碳素材料及其制備方法，和由該材料制備的類石墨烯納米片修飾的液流電池電極，所述制備方法包括：1)將植酸與含氨基的物質在碳素材料表面進行原位聚合；2)再將其高溫煅燒。這種方法處理過的碳素材料，其表面含氧官能團豐富，其親水性能、電化學活性和比表面積得到較大提高。并且，氮?磷等雜元素的負載量可以通過調節植酸、尿素的用量及摩爾配比來控制。所述電極具有高比表面積和高官能團含量(例如含氧官能團)，對全釩液流電池正負極電對均表現出很好的催化活性，其較高的催化活性大大減少了電極的極化。

技術領域

本發明涉及電池電極材料技術領域，特別是一種改性碳素材料及由其制備的類石墨烯納米片修飾的液流電池電極。

背景技術

隨著人民生活水平的提高和工業化產業規模的擴大，用電需求急劇增加。大功率的發電廠不斷增強建設以滿足越來越高的用電需求。但是，居民用電和工業用電都存在著間斷性和持續變化的特點，與之相對的是發電廠發電功率的不可調節性。為實現能源的高效配置和提高利用效率，與之配套的大規模儲能設備開發意義重大。這種可以在用電低峰時將發電廠電量儲存，用電高峰放電使用的大規模儲能設備在電網調峰中必不可少。

目前，主要的大規模儲能方式主要有揚水儲能和壓縮空氣儲能等，但上述儲能方式都受到場地、成本以及能量效率的限制。液流電池以設計簡單、能量效率高、環保無污染和功率輸出與容量可靈活調節等諸多優點在大規模儲能方面已實現大規模的產業化應用。其中，1985年，全釩液流電池首次由澳大利亞新南威爾士大學提出，并對其特殊的儲能機理做出研究，一直以來，全釩液流電池都是從事大規模儲能的研究人員的研究熱點。并且，決定全釩液流電池性能的關鍵組成，例如電堆結構的優化設計、隔膜離子的選擇性透過性能以及電極材料的催化活性等都得到很大程度的研究，這些研究不斷提高全釩液流電池的性能和應用范圍。作為決定全釩液流電池能量效率的最關鍵的電極材料尤其是各國科研工作者的研發重點。

目前，取得較大研究進展的釩電池電極材料主要有金屬類電極和碳素類電極。金屬類電極具有很高的催化活性，但其制備工藝復雜、成本高，催化穩定性差。而碳素類電極則可以很好的規避這些缺點，其具有成本低廉，耐酸堿腐蝕等優點，例如石墨氈有著其他材料所不具有的高穩定性、良好的機械性能和高達94％的孔隙率，但其催化活性較差的缺點也不容忽視。眾所周知，高效率的全釩液流電池除了要有良好的結構設計、低廉的成本之外，同時要求良好的電極催化效率和循環穩定性。碳素類電極(例如碳布、碳纖維紙、石墨氈等)中，碳素材料均勻的碳結構中含氧官能團和缺陷位點等可作為催化活性中心的含量過少，是造成其催化活性低，極化現象嚴重的首要原因。因此，要提高碳素材料的催化活性，就必須在材料表面引入更多的催化活性位點(例如含氮、含氧官能團或結構缺陷等)。目前主要的碳素材料處理方法有由內而外(強氧化性物質對碳素材料本身的氧化，達到引入含氧、含氮官能團的目的)和由外而內(碳素材料表面包裹富含催化活性的物質)。由內而外的強酸處理主要是通過強酸對碳素類材料進行表面的氧化刻蝕，從而引入大量的含氧官能團。該處理方式雖然過程簡單但對設備要求高，操作危險性大，對環境會造成很大污染，極大的限制了其工業化應用。

Alan M.Pezeshki等人通過一種熱處理的方法獲得一種具有高比表面積和催化活性的改良碳纖維紙(參考文獻：High performance electrodes in vanadium redox flowbatteries through oxygen-enriched thermal activation,Journal of PowerSources,294(2015)333-338)，并將其作為全釩液流電池電極材料時，在200mA cm^-2的電流密度下進行測試，發現其能量效率從63％提高至76％。但其結構穩定性差，同樣面臨工業化應用困難的問題。因此，亟需一種新的液流電池電極。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供一種改性碳素材料及由其制備的類石墨烯納米片修飾的液流電池電極，所述液流電池電極具有催化活性高、容量高、效率高和壽命長等優點，其制備方法簡單，原料來源廣泛，反應條件溫和，成本低廉，較好的滿足了液流電池電極材料大規模制備的要求。