[發明專利]一種用于有機儲能液流電池的碳氈電極的改性方法

在審

• 申請號: 202210937332.7
• 申請日: 2022-08-05
• 公開（公告）號: CN115207374A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 楊纖;駱會;韓炎;劉兵
• 申請（專利權）人: 宿遷時代儲能科技有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/96;H01M8/18
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 王荷英

本發明提供一種用于有機儲能液流電池的碳氈電極改性方法，將碳氈浸泡于尿素溶液中，然后在氮氣氛圍中進行高溫活化后得到改性碳氈；所述方法簡單實用，極大地提高了碳氈電極的親水性、氧化還原活性有機物的電池循環穩定性和效率；所用的化學品廣泛易得，可操作性強，易于實現工業化生產。

技術領域

本發明屬于有機儲能液流電池生產技術領域，具體地，涉及一種用于有機液流電池的碳氈電極的改性方法。

背景技術

液流電池作為一種高效的電化學儲能方式已引起廣泛關注，特別是在“碳達峰、碳中和”政策的推動下，液流電池的商業化變得尤為重要且急迫。有機液流電池因其原料來源廣而成為繼全釩液流電池之后最具可持續發展趨勢的大型儲能電池。作為有機液流電池的關鍵組件之一，碳氈是具備氧化還原可逆性的有機物發生電極反應的場所，直接決定著電池的穩定性、功率密度、效率和使用壽命。盡管與釩的電極反應相比，具備氧化還原可逆性的有機小分子在電極上的反應動力學遠遠快于釩離子，但未處理的碳氈表面疏水性強且缺乏足夠的活性基團，因而對碳氈進行活化改性對液流電池的性能提升起著重要意義。

目前，對碳氈的改性思路為增加碳氈表面的電催化活性和增強導電性，主要方向為以下兩類路徑：

一、在碳氈表面進行修飾，如修飾具備良好催化活性的金屬氧化物或貴金屬，修飾石墨烯、碳納米管等比表面積高的物質，或者摻雜氮、氧、硼等雜元素；

二、對碳氈進行氧化處理，如使用強氧化性溶液（濃硫酸或雙氧水）進行氧化處理；使用空氣或氧氣等氧化性氛圍在高溫下氧化處理。

通過上述方法處理后的碳氈在電化學活性和導電性上均得到很大提升，但路徑一中的電極表面修飾生產成本高且工藝流程復雜，制約了其工業化之路。路徑二工藝相對簡單、可操作性強，主要是通過在碳氈表面形成碳氧單鍵和雙鍵來提升電極的電化學活性和導電性。

中國專利CN108091888A公開了一種全釩液流電池用碳氈電極的改性方法，具體操作為：先將待處理的碳氈浸泡在具有溶解油漬效果的有機溶劑中進行超聲處理，以除去其表面的雜質和灰分；再將碳氈用純水洗凈并烘干；然后在加熱條件下用硝酸蒸汽對其進行氣相氧化處理；最后待碳氈冷卻再將碳氈洗凈，烘干后得到改性碳氈。該處理后用作全釩液流電池的電極材料，極大地提高了碳氈電極對釩離子的電催化活性和穩定性。相比于其他活化方式，該專利內所述方法流程簡單且可操作性強，更易被應用到實際生產中，但其工藝中使用到有機溶劑和濃硝酸等具有潛在危險的試劑，且其氣相氧化過程對設備的要求較高，仍存在較大的可改進空間。

發明內容

為解決上述問題，本發明公開了一種簡單易行、成本低廉、改性效果顯著、可控性強、且可實現規模化生產的碳氈改性處理方法，以解決背景技術中提出的問題。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

（1）將待處理的碳氈浸泡于尿素水溶液中；

（2）將碳氈取出，靜置瀝干5min后置于馬弗爐中，于氣體氛圍中高溫熱處理后自然冷卻即得到活化碳氈；

優選地，所述步驟（1）中使用尿素水溶液的濃度為35%~54%，優選的濃度為47%。在20-25℃下浸泡，浸泡的時間為24-72h，更優的時間為48h，能使尿素充分且均勻地分布在碳纖維的表面。

優選地，所述步驟（2）中對碳氈進行熱處理的溫度為200~500℃，升溫速率為20~50℃/min，更優的溫度為500℃。

優選地，所述步驟（2）中使用的保護氣體為氮氣和/或氬氣，更優的保護氣體為氮氣。使用空氣作為保護氣體時難以控制碳氈表面的氧化程度，且形成的碳氧單鍵和雙鍵易于與有機物發生復雜的副反應。

優選地，所述步驟（2）中對碳氈進行熱處理的時間在10~12h之間。

本發明的思路是通過對碳氈表面的碳碳鍵進行改造重塑，從而達到提高碳氈電極的親水性、碳氈的導電性以及提升氧化還原有機物的電化學穩定性的目的。