[發(fā)明專利]一種納米碳纖維和金屬復(fù)合電極及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811148585.6
• 申請日: 2018-09-29
• 公開（公告）號: CN110970628B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉濤;李先鋒;張華民
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所;大連奧晟隆新材料有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M8/18;H01M4/92
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明公開了一種液流電池用納米碳纖維/金屬復(fù)合電極及其制備方法。該電極材料以高分子聚合物和金屬鹽的混合物作為前驅(qū)體，經(jīng)靜電紡絲法制成納米纖維，然后高溫碳化處理，再經(jīng)表面氧化刻蝕處理制得，其中納米碳纖維的直徑為100～1000nm，金屬顆粒直徑在2～100nm，金屬顆粒分布于納米碳纖維表面，金屬顆粒的一部嵌入于納米碳纖維中，另一部裸露于納米碳纖維表面。所述制備方法制備的納米碳纖維/金屬復(fù)合電極用于液流電池時具有良好的電催化活性和電化學(xué)可逆性，具有制備方法簡單、工序少、原料易得、價格低廉等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及液流電池領(lǐng)域，特別涉及一種液流電池用電極材料及其制備。

背景技術(shù)

能源和環(huán)境是21世紀(jì)人類面臨的兩大問題。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類對能源的需求日益增多。據(jù)估計，到2050年人類對能源的需求量會達到現(xiàn)在的兩倍，而到本世紀(jì)末則會達到現(xiàn)在的三倍。傳統(tǒng)的化石能源一方面儲量有限，不能滿足社會發(fā)展的需求，另一方面化石能源的過度消耗帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。為了解決能源短缺和環(huán)境污染的雙重難題，可再生能源的利用開發(fā)至關(guān)重要。然而，風(fēng)能、太陽能等可再生能源受到晝夜更替、季節(jié)更迭等自然環(huán)境的影響，電能輸出具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控的特點，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)重沖擊。為緩解可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊，提高電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電的接納能力，需要配備大容量儲能裝置，才能有效實現(xiàn)調(diào)幅調(diào)頻，平滑輸出、計劃跟蹤發(fā)電、提高其可控性，推進可再生能源的普及應(yīng)用。

全釩液流電池因其具有輸出功率和容量相互獨立，系統(tǒng)設(shè)計靈活；能量效率高，壽命長，運行穩(wěn)定性和可靠性高，自放電低；選址自由度大，無污染、維護簡單，運營成本低，安全性高等優(yōu)點，在規(guī)模儲能方面具有廣闊的發(fā)展前景。

目前，制約全釩液流電池商業(yè)化的主要限制就是成本問題。要降低其成本，主要解決方法有兩個：一為降低各關(guān)鍵材料的成本，如離子交換膜、電解液、電極雙極板的成本；一為提高電池的功率密度。因為提高電池的功率密度，就可以用同樣的電堆實現(xiàn)更大的功率輸出，而且還可以減少儲能系統(tǒng)的占地面積和空間，提高其環(huán)境適應(yīng)能力及系統(tǒng)的可移動性，擴展液流電池的應(yīng)用領(lǐng)域。而要提高電池的功率密度，就要提高其工作電流密度。然而，工作電流密度的提高會導(dǎo)致電壓效率和能量效率的降低。為了在不降低能量效率的前提下提高電池的工作電流密度，就需要盡可能地減小電池極化，即歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化，降低電壓損耗。

電極作為全釩液流電池的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)和理化性能對液流電池的性能影響極大。現(xiàn)有技術(shù)中的全釩液流電池電極材料主要是碳?xì)只蚴珰郑渚哂辛己玫姆€(wěn)定性和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但電催化活性還不夠高。而電極的電催化活性直接決定電化學(xué)反應(yīng)的本征反應(yīng)速率，在很大程度上影響著電池的工作電流密度和能量效率。因此，為了獲得高的工作電流密度和能量效率，又要采用合適的活化方法來盡可能地提高石墨氈的電催化活性。目前已公開的專利文獻中針對減小液流電池電化學(xué)極化的方法主要有：(1)對電極材料如石墨氈、碳紙等進行氧化改性處理，在碳纖維表面修飾含氧官能團，提高電極的電催化活性，減小電池的電化學(xué)極化，如專利CN 101465417A和CN 101182678A中公開的對石墨氈進行電化學(xué)氧化的方法。(2)對電極材料如石墨氈、碳紙等進行金屬化處理，即在碳纖維表面上修飾金屬離子，如Sun等(Sun，B.T.；Skyllas-Kazacos，M.Chemical Modification andElectrochemical Behavior of Graphite Fiber in Acidic VanadiumSolution.Electrochim.Acta 1991,36，513-517.)在碳纖維表面上修飾了Mn²⁺、Te⁴⁺、In³⁺和Ir³⁺等，發(fā)現(xiàn)Ir³⁺對電極材料的電催化活性的提高最有作用，但由于貴金屬的使用造成電極的成本偏高，故而并不適合大規(guī)模應(yīng)用。(3)制備高比表面積的電極材料。如專利CN102522568A中公開的通過靜電紡絲法制備了納米碳纖維電極材料。

發(fā)明內(nèi)容