[發明專利]一種多直徑尺寸電極及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010197653.9
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111446460B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 趙天壽;孫靜;范新莊
• 申請（專利權）人: 廣州市香港科大霍英東研究院
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M8/18;D01D1/02;D01D5/00;D01F9/22;D04H1/43;D04H1/728
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司 44100
• 代理人: 李小林

本發明提供一種多直徑尺寸電極及其制備方法和應用，涉及液流電池技術領域。本發明的多直徑尺寸電極，包括兩種及以上直徑范圍的碳素纖維絲組，所述纖維絲的直徑為100nm?20μm，相鄰直徑范圍的兩組纖維絲的直徑尺寸至少相差100nm；其中直徑最小纖維絲組的直徑尺寸為100?1000nm，直徑最大纖維絲組的直徑尺寸為10?20μm。本發明的制備方法包括以下步驟：S1、將聚丙烯腈溶于溶劑中，配制成兩種或以上質量濃度的紡絲液；S2、將紡絲液進行多針頭靜電紡絲，得到由多直徑尺寸纖維絲堆疊而成的纖維膜；S3、將纖維膜進行預氧化、碳化，即得多直徑尺寸電極。本發明的多直徑尺寸電極具有較大的比表面積，可降低電池的活化損失，提高滲透率，降低電池的濃差極化。

技術領域

本發明涉及液流電池技術領域，特別是涉及一種多直徑尺寸電極及其制備方法和應用。

背景技術

為應對全球氣候變化、環境污染、能源短缺等問題，太陽能，風能等可再生能源得到了廣泛關注和發展。但是這些可再生能源發電具有波動性、間歇性等特點，因此需要利用大規模儲能系統來實現可再生能源發電的高效并網以及實現電網的調峰、調頻等。近年來，液流電池由于其不受地域限制、容量和功率相互獨立、安全性好、循環壽命長等優勢，作為儲能系統引起廣泛關注。

電極作為液流電池的主要部件之一，不僅提供電化學反應場所，也影響電解液在多孔電極內的傳輸，因而其幾何結構及表面性質會直接影響電池性能。為了降低電化學極化、歐姆極化以及濃差極化，液流電池的電極應具備比表面積大、滲透率高、電導率高和電化學活性高等特點。目前，液流電池的電極材料主要是碳素材料，其中包括石墨氈，碳氈，碳紙，碳布等商業碳材料。商業碳素材料具有孔徑和孔隙率大的特點，因而具備較高的滲透率。然而，商業碳素材料比表面積小(一般不超過1m² g^-1)，對液流電池氧化還原反應活性低，直接用于液流電池時，液流電池的輸出功率密度收到較大限制。

近年來，利用靜電紡絲技術制備納米級碳纖維并將其應用于液流電池取得了一些進展。得益于納米級的碳纖維尺寸，靜電紡絲生產的碳纖維一般具有較大的比表面積(10-1000m² g^-1)；但是與此同時，靜電紡絲碳電極的滲透率相較于商業碳素電極大大降低，因而直接將靜電紡碳纖維電極用于液流電池會造成較大的濃差極化，從而導致電池僅能在較低的電流密度下運行。

發明內容

基于此，有必要針對上述問題，提供一種多直徑尺寸電極，該電極具有兩種及以上的尺寸，可在保證電極較高滲透率的同時實現較大的比表面積，該電極能夠同時降低電池的電化學極化和濃差極化，可適用不同需求的氧化還原液流電池。

一種多直徑尺寸電極，所述電極包括兩種及以上直徑范圍的碳素纖維絲組，所述纖維絲的直徑為100nm-20μm，相鄰直徑范圍的兩組纖維絲的直徑尺寸至少相差100nm；其中直徑最小纖維絲組的纖維絲直徑尺寸為100-1000nm，直徑最大纖維絲組的纖維絲直徑尺寸為10-20μm。

上述多直徑尺寸電極，可以在不提升電解液流動阻力的前提下，大幅提升電極的比表面積，可降低電池的活化損失，同時降低電池的電化學極化和濃差極化。將該電極用于全釩液流電池時，可以使電池在300mA cm^-2運行電流密度下能量效率高達80％以上。本發明提供的電極結構和制備方法可調節范圍廣，可適用于不同需求的氧化還原液流電池。

在其中一個實施例中，所述纖維絲具有2組直徑范圍的纖維絲組，各組纖維絲的直徑分別為100-1000nm，10-20μm。

在其中一個實施例中，所述纖維絲具有3組直徑范圍的纖維絲組，各組纖維絲的直徑分別為100-1000nm，1-10μm，10-20μm。

在其中一個實施例中，所述纖維絲具有4組直徑范圍的纖維絲組，各組纖維絲的直徑分別為100-1000nm，1-5μm，5-10μm，10-20μm。