一种多孔碳电极及其制备方法、液流电池技术

为克服现有液流电池的碳电极存在的电催化活性不足的问题，本发明专利技术提供了一种多孔碳电极，包括多孔碳电极本体和锑纳米颗粒，所述多孔碳电极本体的表面形成有多个纳米孔，所述锑纳米颗粒嵌入并至少部分包覆于所述纳米孔中。同时，本发明专利技术还公开了上述多孔碳电极的制备方法以及包括上述多孔碳电极的液流电池。本发明专利技术通过一次碳热反应完成了多孔碳电极本体表面造孔以及锑纳米颗粒沉积的两个步骤，形成的催化剂锑纳米颗粒由于被包覆在纳米孔中，提高了储存稳定性，与多孔碳电极本体的结合强度以及电催化活性和电化学可逆性，减少了电荷传递阻力，提高了液流电池电压效率和能量效率。提高了液流电池电压效率和能量效率。提高了液流电池电压效率和能量效率。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔碳电极及其制备方法、液流电池


[0001]本专利技术属于新能源电池
，具体涉及一种多孔碳电极及其制备方法、液流电池。

技术介绍

[0002]传统化石能源的大量使用带来了气候变暖以及环境污染等诸多问题，大力发展风能和太阳能为代表的可再生能源是解决上述问题的有效途径。然而这些可再生能源具有不稳定与不连续等特点，往往会对电网造成较大的冲击，成为限制其大规模应用的一个瓶颈。而与之配套的大功率、高容量、低成本的储能技术是推进能源结构调整，普及可再生能源发展的关键技术。
[0003]液流电池作为一种新型电化学储能方式，具有本征安全、寿命长等显著特点，其优秀的综合性能使其在储能领域占有重要地位，具有广阔的发展前景。液流电池作为一种液相电化学储能装置，其活性物质完全溶于可流动的电解液中，通过活性物质的价态变化来实现能量的存储与释放，尤其是全钒液流电池以不同价态的钒离子为电池的活性物质，负极侧采用了V
2+
/V
3+
电对，正极侧采用V
4+
/V
5+
电对，四种价态的钒离子可以稳定存在于酸性电解液中，由于仅采用钒离子作为活性物质，避免了不同种离子跨膜扩散导致的交叉污染问题，是目前研究最为广泛，示范电站最多的液流电池体系。
[0004]但是，作为全钒液流电池的活性物质，钒离子却存在资源限制的问题，钒矿价格昂贵是目前全钒液流电池成本高的主要原因之一。人们无法从活性物质成本上降低全钒液流电池的总成本，但又希望能够在发展液流电池的同时兼顾到成本问题，实际上，液流电池的成本中，电堆成本也是占比极高的一项，比例在40%以上。因此，降低液流电池总体成本可以优先从电堆成本考虑，降低液流电池电堆成本最直接有效的方式就是在不牺牲能量效率的前提下提升电池的运行功率密度，在同等功率需求下，运行功率密度的提升可有效降低电池的活性面积，相应所需电极、双极板以及离子交换膜的数量也会减少，从而提升电池性能。
[0005]液流电池运行功率密度的提升需要降低电池运行过程中的活化极化损失，欧姆极化损失，以及浓差极化损失，对电极设计提出了更高的要求，特别是需要大幅增加电极的催化活性和反应位点。电极材料的活性比表面积大小以及电化学稳定性直接决定了钒电池的功率密度、能量效率和使用寿命。在诸多碳质类和金属类材料中，毡类电极诸如石墨毡，碳毡因其具有的耐腐蚀性强、导电性好、比表面积较大、机械强度高、成本低等优点，被广泛地用作商用钒电池的电极材料。但是，由于未处理的电极普遍存在电催化活性低及润湿性差等缺点，并且在电化学反应过程中存在着析氢析氧等问题，很大程度上限制了钒电池的工作电流密度和库仑效率。所以基于碳毡的改性研究对提高钒液流电池的综合性能有着重要意义。

技术实现思路

[0006]针对现有液流电池的碳电极存在的电催化活性不足的问题，本专利技术提供了一种多孔碳电极及其制备方法、液流电池。
[0007]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案如下：一方面，本专利技术提供了一种多孔碳电极，包括多孔碳电极本体和锑纳米颗粒，所述多孔碳电极本体的表面形成有多个纳米孔，所述锑纳米颗粒嵌入并至少部分包覆于所述纳米孔中。
[0008]可选的，所述多孔碳电极本体为碳纤维搭接、粘结或编织形成的碳纸、碳布、碳毡、石墨毡和碳网中的一种或多种。
[0009]可选的，所述碳纤维的直径为5
‑
15μm，所述多孔碳电极本体的厚度为0.5~2.5mm。
[0010]可选的，所述纳米孔的孔径为20
‑
200nm，孔深为100
‑
500nm。
[0011]可选的，所述锑纳米颗粒的粒径为5~150nm。
[0012]可选的，以所述多孔碳电极的总质量为100%计，所述锑纳米颗粒的质量百分含量为20%~40%。
[0013]再一方面，本专利技术提供了如上所述的多孔碳电极的制备方法，包括以下操作步骤：提供一种多孔碳电极前体，包括多孔碳电极本体和附着于所述多孔碳电极本体表面的锑盐纳米颗粒；加热分解：对多孔碳电极前体进行加热，以使锑盐纳米颗粒分解成锑氧化物；碳热反应：对经过加热分解的多孔碳电极前体进行进一步加热，加热温度为800℃
‑
1000℃，使锑氧化物与多孔碳电极本体发生碳热反应，在多孔碳电极本体的表面形成纳米孔，同时锑氧化物生成锑纳米颗粒嵌入并至少部分包覆于所述纳米孔中。
[0014]可选的，所述多孔碳电极前体由以下方法制备得到：将多孔碳电极本体浸入于锑盐溶液中，取出干燥，使锑盐纳米颗粒附着于多孔碳电极本体的表面。
[0015]可选的，所述锑盐溶液的溶剂为有机溶剂，所述锑盐溶液中锑盐的浓度为0.1M~0.5M，所述有机溶剂包括乙醇、甲醇、乙二醇和丙酮中的一种或多种；所述锑盐溶液的溶质包括硝酸锑、醋酸锑和氯化锑中的一种或多种。
[0016]可选的，所述“加热分解”操作包括：将多孔碳电极前体在保护性气氛下以2
‑
5℃每分钟的速率升温至100℃~300℃煅烧40~60min。
[0017]可选的，所述锑氧化物为三氧化二锑。
[0018]可选的，所述“碳热反应”操作包括：对经过加热分解的多孔碳电极前体在保护性气氛下以5
‑
10℃每分钟的速率升温至800℃~1000℃，并煅烧60
‑
120min。
[0019]再一方面，本专利技术提供了一种液流电池，包括如上所述的多孔碳电极，或是包括如上所述的制备方法制备得到的多孔碳电极。
[0020]可选的，所述液流电池为全钒液流电池、铁铬液流电池、铁钒液流电池、锌溴液流电池、钒溴液流电池或钒铈液流电池。
[0021]根据本专利技术提供的多孔碳电极，通过锑氧化物与多孔碳电极本体的碳表面发生碳
热反应，直接形成纳米孔包覆纳米锑的结构。具体原理如下，锑氧化物中的氧原子与碳发生热化学反应，生成二氧化碳或者一氧化碳气体，完成了表面造孔步骤，大幅增加了电极的比表面积。而氧化锑被还原成为被包覆在纳米孔中的导电锑纳米颗粒，金属锑具有极高的析氢过电势及催化活性。可以一边抑制析氢反应的发生，一边促进液流电池中的氧化还原反应，意味着其能够抑制析氢反应的发生。本专利技术通过一次碳热反应完成了碳纤维表面造孔以及高性能催化剂沉积的两个步骤，形成的催化剂锑纳米颗粒由于被包覆在纳米孔中，第一方面，对于锑纳米颗粒有较好的保护效果，使得形成的锑纳米颗粒十分稳定，适合在常规空气条件下存储，降低了处理后的电极储存难度；第二方面，也提高锑纳米颗粒与多孔碳电极本体的结合强度，处理之后的锑纳米颗粒沉积在所造的孔内部，避免了在应用于液流电池中时直接被流动电解液冲刷走的问题，因此在长期循环测试中电池性能保持稳定；第三方面，由于碳材料表面包覆了锑纳米颗粒催化剂，提高了电极材料V
3+
/V
2+
氧化还原反应的电催化活性和电化学可逆性，减少了电荷传递阻力，提高了全钒液流电池电压效率和能量效率。而且本专利技术中提到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳电极，其特征在于，包括多孔碳电极本体和锑纳米颗粒，所述多孔碳电极本体的表面形成有多个纳米孔，所述锑纳米颗粒嵌入并至少部分包覆于所述纳米孔中。2.根据权利要求1所述的多孔碳电极，其特征在于，所述多孔碳电极本体为碳纤维搭接、粘结或编织形成的碳纸、碳布、碳毡、石墨毡和碳网中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的多孔碳电极，其特征在于，所述碳纤维的直径为5
‑
15μm，所述多孔碳电极本体的厚度为0.5~2.5mm。4.根据权利要求1所述的多孔碳电极，其特征在于，所述纳米孔的孔径为20
‑
200nm，孔深为100
‑
500nm，所述锑纳米颗粒的粒径为5~150nm。5.根据权利要求1所述的多孔碳电极，其特征在于，以所述多孔碳电极的总质量为100%计，所述锑纳米颗粒的质量百分含量为20%~40%。6.如权利要求1~5任意一项所述的多孔碳电极的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：提供一种多孔碳电极前体，包括多孔碳电极本体和附着于所述多孔碳电极本体表面的锑盐纳米颗粒；加热分解：对多孔碳电极前体进行加热，以使锑盐纳米颗粒分解成锑氧化物；碳热反应：对经过加热分解的多孔碳电极前体...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天寿，郭瑾聪，韩美胜，魏磊，陈留平，徐俊辉，
申请(专利权)人：中盐金坛盐化有限责任公司，
类型：发明
国别省市：