含活性纳米碳纤维层的全钒液流电池电极及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种全钒液流电池电极及其制备方法，所述全钒液流电池电极包括基体电极和附在所述基体电极一侧的由活性纳米碳纤维组成的活性纳米碳纤维层，所述活性纳米碳纤维含有纳米级的孔径及丰富的含氧官能团。本发明专利技术可以显著提高全钒液流电池的循环寿命、放电容量和能量效率。和能量效率。

【技术实现步骤摘要】
含活性纳米碳纤维层的全钒液流电池电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于全钒液流电池电极领域，具体涉及含活性纳米碳纤维层的全钒液流电池电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]全钒液流电池(VFB)是一种新型电化学蓄电储能装置，具有系统容量和功率相互独立可调、充放电速度快、安全可靠、环境友好、循环寿命长、易维护等优势。
[0003]全钒液流电池通过正、负极钒离子电解质溶液活性物质发生可逆氧化还原反应(即价态的可逆变化)，实现电能和化学能的相互转化。充电时，正极发生氧化反应使钒离子价态升高，负极发生还原反应使钒离子价态降低；放电过程与之相反。电池的正负极由离子交换膜隔开，隔膜必须抑制正负极电解液中不同价态的钒离子的交叉混合，同时不阻碍氢离子通过隔膜，传递电荷。
[0004]然而，在电池实际运行过程中，钒离子很容易透过离子交换膜的孔道在正负极间互串，造成两侧钒离子的价态失衡以及自放电现象的产生。钒离子的这种渗透对钒电池的寿命、放电容量和能量效率均具有非常大的负面影响。因此，为了保证电池的充电容量，提高电池的耐久性，就需要尽量降低钒离子的渗透率。
[0005]目前解决钒离子渗透问题的主要做法是对离子交换膜进行修饰或者改性，如增加聚合物涂层，或者在膜本体材料中掺杂颗粒。但以上方法均存在缺点。由于聚合物膜孔径不容易控制，均匀性较差，无法达到阻隔钒离子渗透的效果，并且该方法制备工艺复杂且繁琐，为多步骤的处理过程，成本和时间消耗都比较大，不适合大规模产业化。而膜本体材料掺杂颗粒则会导致膜的结构与性能受到破坏，从而带来一些负效应。

技术实现思路

[0006]为了克服以上问题，本专利技术公开了一种全钒液流电池电极及其制备方法。本专利技术的全钒液流电池电极靠近离子交换膜一侧附有活性纳米碳纤维层，所述活性纳米碳纤维层以环保、可再生和低成本的植物纤维作为前驱体，所述植物纤维经过处理后，可以得到直径为纳米尺度的纳米纤维，其表面存在丰富的微孔结构，为钒离子的反应提供了更多的活性位点。此外，经历化学处理的纳米纤维表面还存在羟基、羧基等含氧官能团，这些官能团属于强亲水性基团，有利于增加电极材料的亲水特性，可以为氢离子的传输提供更多的传递位点。所述活性纳米碳纤维层相较于基体电极，具有非常小的孔隙以及较大的比表面积，一方面，非常小的孔隙增加了钒离子通过离子交换膜的阻力，从而降低了其通过率，另一方面，在大大降低钒离子经由离子交换膜渗透的同时，增加了整个电极材料的电化学反应活性，对于提高全钒液流电池的寿命、放电容量和能量效率具有重要意义。
[0007]具体而言，本专利技术提供一种全钒液流电池电极，所述全钒液流电池电极包括基体电极和附在所述基体电极一侧的由活性纳米碳纤维组成的活性纳米碳纤维层，所述活性纳米碳纤维含有含氧官能团，所述活性纳米碳纤维层具有纳米级孔径。
[0008]在一个或多个实施方案中，所述活性纳米碳纤维层的孔径为5
‑
20nm。
[0009]在一个或多个实施方案中，所述活性纳米碳纤维层的厚度为5
‑
50μm。
[0010]在一个或多个实施方案中，所述活性纳米碳纤维的长度≤1000nm。
[0011]在一个或多个实施方案中，所述活性纳米碳纤维的直径≤50nm。
[0012]在一个或多个实施方案中，所述基体电极的材质为多孔碳基材料。
[0013]在一个或多个实施方案中，所述多孔碳基材料选自碳纸、石墨纸、碳毡和石墨毡中的一种或多种。
[0014]在一个或多个实施方案中，所述活性纳米碳纤维由植物纤维制成。
[0015]在一个或多个实施方案中，所述植物纤维选自棉纤维、麻纤维、木浆纤维和草类纤维中的一种或多种。
[0016]在一个或多个实施方案中，所述活性纳米碳纤维层由附着在基体电极上的纳米植物纤维经化学试剂活化后再经碳化处理而制成，所述化学试剂包括选自氢氧化钾、磷酸和氯化锌中的一种或多种。
[0017]本专利技术还提供制备本文任一实施方案所述的全钒液流电池电极的方法，所述方法包括以下步骤：
[0018](1)提供纳米植物纤维；
[0019](2)将纳米植物纤维分散在水中，得到纳米植物纤维水分散液；
[0020](3)将纳米植物纤维水分散液沉积在基体电极上，干燥，得到附着有纳米植物纤维的基体电极；
[0021](4)使用化学试剂对附着在基体电极上的纳米植物纤维进行活化，所述化学试剂选自氢氧化钾、磷酸和氯化锌中的一种或多种；
[0022](5)对附着在基体电极上的经过活化的纳米植物纤维进行碳化处理，形成活性纳米碳纤维层。
[0023]在一个或多个实施方案中，所述纳米植物纤维由植物纤维经过预处理而制成。
[0024]在一个或多个实施方案中，所述纳米植物纤维的长度≤1000nm。
[0025]在一个或多个实施方案中，所述纳米植物纤维的直径≤50nm。
[0026]在一个或多个实施方案中，所述纳米植物纤维水分散液的浓度为0.05
‑
0.3wt％。
[0027]在一个或多个实施方案中，采用抽滤的方式将纳米植物纤维水分散液沉积在基体电极上。
[0028]在一个或多个实施方案中，采用浸渍的方式使用化学试剂对附着在基体电极上的纳米植物纤维进行活化，浸渍时间优选为1
‑
12h。
[0029]在一个或多个实施方案中，所述碳化处理中，温度为200
‑
1200℃，气氛为惰性气体，时间为0.5
‑
4h。
[0030]在一个或多个实施方案中，所述预处理包括选自机械法预处理和化学法预处理中的一种或两种，所述机械法预处理包括选自立式浆磨、瓦利打浆和高压均质中的一种或多种，所述立式浆磨或瓦利打浆的转数优选为6
‑
20万转，所述化学法预处理包括TEMPO氧化处理和酸水解处理中的一种或多种。
[0031]本专利技术也提供采用本文任一实施方案所述的方法制备的全钒液流电池电极。
[0032]本专利技术还提供一种全钒液流电池，所述全钒液流电池包含本文任一实施方案所述
的全钒液流电池电极。
[0033]在一个或多个实施方案中，所述全钒液流电池中，所述全钒液流电池电极附着有活性纳米碳纤维层的一侧面向所述全钒液流电池的离子交换膜。
附图说明
[0034]图1为实施例1中碳毡电极的活性纳米碳纤维层的红外谱图。
[0035]图2为实施例1中不含活性纳米碳纤维层的碳毡电极表面放大300倍的扫描电镜图。
[0036]图3为实施例1中含活性纳米碳纤维层的碳毡电极中附有活性纳米碳纤维层一侧表面方法300倍的扫描电镜图。
具体实施方式
[0037]为使本领域技术人员可了解本专利技术的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本专利技术所了解的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全钒液流电池电极，其特征在于，所述全钒液流电池电极包括基体电极和附在所述基体电极一侧的由活性纳米碳纤维组成的活性纳米碳纤维层，所述活性纳米碳纤维含有含氧官能团，所述活性纳米碳纤维层具有纳米级孔径。2.如权利要求1所述的全钒液流电池电极，其特征在于，所述活性纳米碳纤维层的孔径为5
‑
20nm，和/或所述活性纳米碳纤维层的厚度为5
‑
50μm。3.如权利要求1所述的全钒液流电池电极，其特征在于，所述活性纳米碳纤维的长度≤1000nm，和/或所述活性纳米碳纤维的直径≤50nm。4.如权利要求1所述的全钒液流电池电极，其特征在于，所述基体电极的材质为多孔碳基材料，所述多孔碳基材料优选选自碳纸、石墨纸、碳毡和石墨毡中的一种或多种。5.如权利要求1所述的全钒液流电池电极，其特征在于，所述活性纳米碳纤维由植物纤维制成，所述植物纤维优选选自棉纤维、麻纤维、木浆纤维和草类纤维中的一种或多种。6.如权利要求1所述的全钒液流电池电极，其特征在于，所述活性纳米碳纤维层由附着在基体电极上的纳米植物纤维经化学试剂活化后再经碳化处理而制成，所述化学试剂包括选自氢氧化钾、磷酸和氯化锌中的一种或多种。7.制备权利要求1
‑
6中任一项所述的全钒液流电池电极的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)提供纳米植物纤维；(2)将纳米植物纤维分散在水中，得到纳米植物纤维水分散液；(3)将纳米植物纤维水分散液沉积在基体电极上，干燥，得到附着有纳米植物纤维的基体电极；(4)使用化学试剂对附着在基体电极上的纳米植物纤维进行活...

【专利技术属性】
技术研发人员：方滔，赵文斌，姜宏东，
申请(专利权)人：寰泰储能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：