[發明專利]一種電極材料及其在全釩液流電池中的應用

在審

• 申請號: 201911259344.3
• 申請日: 2019-12-10
• 公開（公告）號: CN112952115A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 劉濤;李先鋒;張華民
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M8/18
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 鄭偉健

一種全釩液流電池用用高活性電極材料，包括碳素基體材料和其表面修飾的三氧化二鋁電催化劑。這種電極可以提高電極材料對釩離子氧化還原反應的電催化活性和電化學可逆性，減小電荷轉移電阻。本發明提高了全釩液流電池的電壓效率和能量效率，從而提高了其工作電流密度，使得相同輸出功率的電池重量、體積以及成本均大大降低。

技術領域

本發明涉及化學儲能技術中的液流儲能電池領域，特別涉及全釩液流電池的電極。

背景技術

全釩液流電池因其具有輸出功率和容量相互獨立，系統設計靈活；能量效率高，壽命長，運行穩定性和可靠性高，自放電低；選址自由度大，無污染、維護簡單，運營成本低，安全性高等優點，在規模儲能方面具有廣闊的發展前景，被認為是解決太陽能、風能等可再生能源發電系統隨機性和間歇性非穩態特征的有效方法，在可再生能源發電和智能電網建設中有著重大需求。

目前，制約全釩液流電池商業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；一為提高電池運行的工作電流密度。因為工作電流密度的提高可以提高電池的功率密度，即可以用同樣的電堆實現更大的功率輸出，而且還可以減少儲能系統的占地面積和空間，提高其環境適應能力及系統的可移動性，擴展液流儲能電池的應用領域。然而，工作電流密度的提高會導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、電化學極化和濃差極化，降低電壓損耗。

電極作為液流儲能電池的關鍵部件之一，其性能對液流儲能電池的影響極大。電極的電催化活性直接決定電化學反應的本征反應速率，在極大程度上影響著電池的工作電流密度和能量效率。

目前已公開的專利文獻中針對減小液流儲能電池電化學極化的方法主要有：

(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，減小電池的電化學極化，如專利CN 101465417A和CN101182678A中公開的對石墨氈進行電化學氧化的方法。

(2)對電極材料如石墨氈、碳紙等進行修飾，即在碳纖維表面上擔載金屬或金屬氧化物催化劑，如Ir、Bi、Cu、PbO₂、WO₃、MoO₃、CeO₂等，也能夠提高電極的電催化活性，減小電池極化。但現有的金屬催化劑只能用于負極，用于正極會被氧化；而金屬氧化物催化劑如PbO₂、WO₃、MoO₃等只能用于正極，用于負極的話在負極的工作電位窗口下會被還原成金屬單質。因此這類金屬催化劑只適合用于一側電極，當同時用于正負兩極時會由于化學穩定性問題，進而影響電池的穩定性。

發明內容

為同時提高正負電極材料電催化活性，同時兼顧電池性能穩定性的問題，本發明提供一種可用于全釩液流電池正負極的高活性電極材料。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種全釩液流電池用高活性電極材料，包括碳素基體材料和其表面修飾的三氧化二鋁電催化劑，可以顯著提高碳素基體材料的親水性，進而可以提高碳素基體材料對釩離子氧化還原反應的電催化活性，減小全釩液流電池的電化學極化，從而提高電池的工作電流密度。

其中，

所述碳素基體材料為碳氈、石墨氈、碳紙和碳布或者它們的結合體；

所述三氧化二鋁為α-Al₂O₃。

所述三氧化二鋁于基體上的沉積量為高活性電極材料的0.05～5wt％，優選地為0.2～2wt％。

所述三氧化二鋁催化劑的顆粒粒徑尺寸為1nm～5μm，優選地，為5～500nm。