一种高效的锌溴储能电池正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电池技术领域，公开了一种高效的锌溴储能电池正极材料及其制备方法和应用。本发明专利技术的制备方法采用双模板合成得到，具体包括如下步骤：将双模板在溶液环境中溶解混合均匀，水热反应，协调组装得到二维材料，焙烧除去模板，得到二维二氧化硅材料；将邻菲罗啉用浸渍法引入二氧化硅模板中，高温炭化处理，得到高效的锌溴储能电池正极材料。上述方法制备得到的高效的锌溴储能电池正极材料具有均一的介孔，展现了优异的捕获能力进而提高活性；具有规整的孔道结构，有效的缩短传质距离和减少传质阻力，可大幅提高液流电池能量密度；具有高的比表面积和活性位利用率，可应用于电池领域中，特别应用于但不限于锌溴储能电池，且表现出优异的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高效的锌溴储能电池正极材料及其制备方法和应用
本专利技术属于电池
，特别涉及一种高效的锌溴储能电池正极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，由于对可再生能源整合与利用的迫切需求，大规模储能技术越来越受重视。在不同储能方案中，液流电池由于其可独立调控的功率和能量、循环寿命长、安全性高，效率高和环境友好等特点成为最有前景的大规模储能技术。原则上，任何两种具有不同电位的氧化还原对都可以构成电池，其中Br2/Br-氧化还原电对由于其高的标准电位(1.07VvsSHE)，充足的储量，高的功率密度和低成本在过去的几十年内深受研究者的关注。Br2/Br-氧化还原电对被广泛作为阴极氧化还原对研究，其与较低的氧化还原对结合构成电池，被称为溴基电池。Br2/Br-氧化还原电对的前景也已经被不同的溴基电池系统所证实。尽管锌溴电池取得非常可观的进展，但Br2/Br-缓慢的动力学一定程度上阻碍了溴基电池的应用。因此，研究对Br2/Br-氧化还原电对具有高活性的电极材料显得尤为重要。合理的结构设计和表面基团功能化有利于获得高性能的电极材料。目前炭材料的活性已经有了很大的提高，但是其性能仍不能很好地满足实际需要。因此，为了改善溴基电池的性能，还需要开发具有良好性能的新型炭材料。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种高效的锌溴储能电池正极材料的制备方法。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备得到的高效的锌溴储能电池正极材料。本专利技术再一目的在于提供上述高效的锌溴储能电池正极材料在电池中的应用。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种高效的锌溴储能电池正极材料的制备方法，采用双模板合成得到，具体包括如下步骤：将双模板在溶液环境中溶解混合均匀，水热反应，协调组装得到二维材料，焙烧除去模板，得到二维二氧化硅材料；将邻菲罗啉用浸渍法引入二氧化硅模板中，高温炭化处理，得到高效的锌溴储能电池正极材料。本专利技术制备方法中，所述的双模板由表面活性剂和共模板组成，所述的表面活性剂为本领域常规表面活性剂即可，所述的共模板优选为氧化石墨烯(GO)。所述的表面活性剂优选为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物P123、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物F127、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的至少一种。本专利技术制备方法中，所述溶液中，所述表面活性剂的浓度优选为1～5mM；所述共模板的浓度优选为4～15mg/mL。本专利技术制备方法中，所述的双模板可为P123和GO、F127和GO、或CTAB和GO等表面活性剂和氧化石墨烯的组合。所述水热反应的温度优选为100～130℃，水热时间优选为20～60h。所述焙烧除去模板的温度优选为500～600℃，更优选为550℃。在上述的制备方法中，协同组装的时间优选为0.5～20h。在上述的制备方法中，所述浸渍法可为超声混合5～9h；浸渍法可使邻菲罗啉迁移进入二氧化硅模板的孔道。本专利技术制备方法中，所述高温碳化处理优选为在750～1200℃焙烧2～5h；更优选在惰性氛围如氩气下进行。本专利技术还提供上述方法制备得到的高效的锌溴储能电池正极材料。本专利技术方法制备得到的高效的锌溴储能电池正极材料，具有高的比表面积和活性位利用率，可应用于电池领域中，特别应用于但不限于锌溴储能电池，且表现出优异的性能。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：(1)本专利技术在合成中引入了双模板，合成了具有高比表面积和高活性位利用率的二维材料，其具有极高的充放电容量。(2)本专利技术将邻菲罗啉等量浸渍，得到规整的孔道结构，有效的缩短传质距离和减少传质阻力，可大幅提高液流电池能量密度。(3)本专利技术高温炭化邻菲罗啉前驱体，实现氮的有效掺杂，具有良好的电池充放电性能。(4)本专利技术引入了均一的介孔，展现了优异的捕获能力进而提高活性。附图说明图1为实施例1所得高效的锌溴储能电池正极材料的电子显微镜照片。图2为实施例1所得高效的锌溴储能电池正极材料的原子力显微镜照片。图3为实施例1所得高效的锌溴储能电池正极材料的氮气吸脱附等温线图。图4为实施例1所得高效的锌溴储能电池正极材料构成的液流电池的充放电测试曲线。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。下列实施例中涉及的物料均可从商业渠道获得。实施例1质量体积份计，g/mL，称取3.4质量份P123，加入含有5.6mg/mL的GO的水溶液100体积份，在室温下搅拌至P123和GO完全溶解后，再加入25.0体积份质量分数为37％的浓盐酸，继续40℃水浴搅拌1.5h，缓慢滴加10.0体积份正硅酸乙酯，继续剧烈搅拌20h后，转移到反应釜中，100℃晶化20h，过滤、洗涤、干燥，然后在550℃下焙烧5h除去模板剂，得到二维二氧化硅材料。称量4.0质量份邻菲罗啉溶解在20.0体积份乙醇和20.0体积份0.15mol/L的FeCl2溶液中，加入3.6质量份上述的二维二氧化硅，室温下超声7h，蒸干溶剂，然后在950℃下炭化4h。最后用10mol/L的NaOH在110℃下处理20h除去硅模板，再用0.1mol/的HClO4在90℃下处理20h除去未溶解的铁物种，得到高效的锌溴储能电池正极材料。样品的透射电镜如图1所示，可以观察到超薄的、具有有序介孔的炭材料；由原子力显微镜照片(图2)可知制备的炭材料厚度为2nm左右。比表面积测试和孔径分析结果如图3所示，可知其比表面积为564m2/g，孔径约为5.3nm。采用实施例1所得的高效的锌溴储能电池正极材料，2mol/L的ZnBr2作为电解液和3mol/L的KCl作为支持电解质，正极电解液流速为60rmp，负极流速为60rmp。将所述液流电池在40mA/cm2的电流密度下完成充放电测试，所得测试曲线如图4所示。从图4可以看到，库伦效率为86.7％，电压效率为87.4％，能量效率为75.8％，总体充放电性能良好。下面实施例高效的锌溴储能电池正极材料的透射电镜与图1类似。所得高效的锌溴储能电池正极材料的原子力显微镜照片与图2类似。所得高效的锌溴储能电池正极材料的氮气吸脱附等温线与图3相似。所得高效的锌溴储能电池正极材料构成的液流电池的充放电测试曲线与图4类似。不一一提供。实施例2质量体积份计，g/mL，称取2.0质量份F127，加入含有10.5mg/mL的GO的水溶液120体积份，在室温下搅拌至F127和GO完全溶解后，再加入32.0体积份质量分数为37％的浓盐酸，继续55℃水浴搅拌20h，缓慢滴加15.2体积份正硅酸乙酯，转移到反应釜中，110℃晶化22h，过滤、洗涤、干燥，然后在550℃下焙烧5h除去模板剂，得到二维二氧化硅材料。称量3.8质量份邻菲罗啉溶解在15.0体积份乙醇和15.0体积份0.15mol/L的FeCl2溶液中，再加入2.9质量份上述的二维二氧化硅，室温下超声9h，蒸干溶剂，然后在1050℃下炭化2.5h。最后用10mol/L的NaOH在110℃下处理20h除去硅模板，再用0.1mol/L的HClO4在90℃下处理20h除去未溶解的铁物种，得到高效的锌溴储能电池正极材料。实施例3质量体积份计，g/mL，称取2.0质量份CTAB，加入含有15.0mg/mL的GO的水溶液115体积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效的锌溴储能电池正极材料的制备方法，其特征在于采用双模板合成得到，具体包括如下步骤：将双模板在溶液环境中溶解混合均匀，水热反应，协调组装得到二维材料，焙烧除去模板，得到二维二氧化硅材料；将邻菲罗啉用浸渍法引入二氧化硅模板中，高温炭化处理，得到高效的锌溴储能电池正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种高效的锌溴储能电池正极材料的制备方法，其特征在于采用双模板合成得到，具体包括如下步骤：将双模板在溶液环境中溶解混合均匀，水热反应，协调组装得到二维材料，焙烧除去模板，得到二维二氧化硅材料；将邻菲罗啉用浸渍法引入二氧化硅模板中，高温炭化处理，得到高效的锌溴储能电池正极材料。2.根据权利要求1所述的高效的锌溴储能电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述的双模板由表面活性剂和共模板组成，所述的共模板为氧化石墨烯。3.根据权利要求2所述的高效的锌溴储能电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述的表面活性剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物P123、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物F127、十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。4.根据权利要求2所述的高效的锌溴储能电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述溶液中，所述表面活性剂的浓度为1～5mM；所述共模板的浓度为4～15...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁振兴，朴金花，余志鹏，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44