[發明專利]一種改性碳基材料及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202011258624.5
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112374483A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 吳雄偉;張磊;凌葦;熊利斌;王恩多
• 申請（專利權）人: 江西省釩電新能源有限公司
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01M4/96;H01M8/18
• 代理公司: 北京棋拾知識產權代理事務所(普通合伙) 11863
• 代理人: 楊雪婷

一種改性碳基材料及其制備方法與應用，所述改性碳基材料包括碳基材料和原位生長在所述碳基材料上的N摻雜碳氣凝膠，所述N摻雜碳氣凝膠呈苔蘚狀。本發明提供的改性碳基材料作為電極材料使用時，極大地提高了電極的界面反應區域，同時由于氮參雜提高了催化活性位點，加速離子的輸運與電荷的轉移，進而提升電極的電化學活性，降低電化學極化，提升電池的電壓效率和能量效率。

技術領域

本申請涉及儲能液流電池技術領域，具體涉及一種改性的碳基材料及其制備方法與在全釩液流電池電極材料中的應用。

背景技術

由于社會的不斷努力和發展，可再生能源能源，例如太陽能和風能，正在逐漸取代化石燃料。然而，為了確保其發展滿足其實際使用，需要大規模用于穩定能量輸出的儲能系統。全釩液流電池(VRFB)由于其結構靈活，使用壽命長，維護成本低等優點是最有潛力的儲能技術之一。VRFB在正、負極反應中使用具有不同價態的相同元素，有效地解決了正負極交叉污染和電解質的重復利用的問題。電極材料作為氧化還原反應區，由于濃差極化和電化學極化影響著VRFB的容量和能效效率(EE)。因此，必須開發更高效的電極材料來改善VRFB的整體性能。在各種電極材料中，石墨氈(GF)作為一種電極材料，由于其成本低廉、耐酸性好，在VRFB中得到了廣泛的應用。然而，GF電極表面活性位點不足，導致釩電氧化還原反應催化活性差。目前已有幾種方法被用來提升GF電極的電化學性能，如酸處理，空氣熱氧化，電化學氧化，官能團的引入，金屬修飾。然而，通過使用這些方法進行修飾仍然不能得到高功率穩定輸出的VRFB(電流密度為200mA cm-2時電壓效率約為69％，能量效率約為68％)。

發明內容

針對現有電極表面活性位點不足、電池電化學性能差等問題，提供一種改性碳基材料及其制備方法與應用，增加了電極表面活性位點，提高了電池的電化學性能。

根據本申請的第一方面，提供了一種改性碳基材料，包括碳基材料和原位生長在所述碳基材料上的N摻雜碳氣凝膠，所述N摻雜碳氣凝膠呈苔蘚狀。

其中，所述碳基材料可選自用于電池電極的常規碳基材料，本發明不做限定。優選地，所述碳基材料選自碳氈、碳布、碳紙、石墨氈中的至少一種。

本申請提供的改性碳基材料，通過在碳基材料表面形成一層苔蘚狀改性碳氣凝膠，極大地提高了電極的界面反應區域，同時由于氮參雜提高了催化活性位點，加速離子的輸運與電荷的轉移，進而提升電極的電化學活性，降低電化學極化，促進電池的電壓效率和能量效率。

具體地，孔隙率為5.5～7.0mL g-1，比表面積為0.2～0.45m2 g-1。

本申請的第二方面，提供了一種改性碳基材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將碳基材料分散在聚合物單體分散液中，得到混合體系；

(2)將交聯劑、引發劑添加到步驟(1)得到的混合體系中進行凝膠化反應，真空冷凍干燥，得到材料前體；

(3)對步驟(2)得到的材料前體進行煅燒，得到改性碳基材料。

該制備方法工藝過程簡單，原料成本低廉，且操作靈活方便，易于規?；a。

具體地，步驟(1)所述聚合物單體選自N-異丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、乙二醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的至少兩種；

可選地，所述聚合物單體為N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的混合物；

可選地，所述N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的質量比為0.9～5：0.05，優選0.9～1.5：0.05；可選地，N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的質量比下限選自0.9：0.05、0.95：0.05、1：0.05、1.5：0.05、2：0.05，上限選自0.95：0.05、1：0.05、1.5：0.05、2：0.05、5：0.05。