一种铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及液流电池技术领域，具体地说是一种铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法及其应用。该方法如下：1)利用流化床干燥机将金属氧化物粉末高效均匀的负载到碳毡纤维表面；2)取出碳毡放入管式炉中，并通入保护性气体，以恒定速率升温至目标温度后，保温1～2h，后自然冷却至室温；3)取出碳毡，并进行酸洗，之后用去离子水冲洗并干燥，制得高性能碳毡电极。本发明专利技术从易实现工程化制备的角度，制备了一种表面具有高度碳缺陷的孔洞结构的碳毡电极，其可同时降低铁基液流电池正负侧电极极化，并提高电池库伦效率和循环寿命。并提高电池库伦效率和循环寿命。并提高电池库伦效率和循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及液流电池
，具体地说是一种铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着生产力的发展，能源需求量激增。然而传统的化石能源资源有限且对环境损害严重，促使人们对以风能，太阳能等为主的可再生能源进行研究。由于可再生能源发电所固有的不稳定性，必须配置相应的大规模储能设施进行调节以确保可持续的开发利用。在众多储能技术中，液流电池以其本质安全，自由度高而得到大力发展。
[0003]目前产业化技术最成熟的全钒液流电池近些年来面临着钒资源约束的问题，成本较高，进一步发展受阻。而以铁铬液流电池和混合型全铁液流电池为代表的的铁基液流电池，以Fe元素为活性组分，具有活性物质来源广泛、成本低、能量密度高等优势，在分布式储能领域具有很好的应用前景。然而在电池运行过程中，由于常用的碳毡电极低的比表面积和较差的电化学活性，电化学反应动力学缓慢，容易导致电池具有较高的极化和较低的能量效率。此外，在充电过程中，对于全铁液流电池体系而言，负极侧的铁易在电极上形成团簇状不均匀的沉积形貌，使得负极沉积溶解反应可逆性差，极大地降低了电池的循环寿命。
[0004]面对以上问题，公开号为CN116154191A的中国专利技术专利申请，北京化工大学提出一种在碳基材料表面掺杂铁、锡原子级的活性位点，降低电池的负极极化，同时使铁可均匀的沉积在电极表面，从而提高电池的循环寿命。但是，这种方法制备较复杂，难以进行规模制备，且该方法仅对电池负极其到一定改善作用，适用范围较小。

技术实现思路

[0005]为了解决以上问题，本专利技术的目的在于提供一种铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法及其应用，从易实现工程化制备的角度，制备了一种表面具有高度碳缺陷的孔洞结构的碳毡电极，其可同时降低铁基液流电池正负侧电极极化，并提高电池库伦效率和循环寿命。
[0006]为达以上目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1)将足量的金属氧化物粉末和原碳毡，放入流化床干燥机中，进行干燥和充分混合，使碳毡纤维表面充分负载金属氧化物粉末；
[0009]步骤2)取出碳毡并置于石英管式炉中，在保护气氛下，以恒定速率升温至1000～1500℃，在该温度下条件保温1～2h，进行碳热还原处理，后自然冷却至室温；
[0010]步骤3)将处理后的碳毡浸泡在硫酸溶液中，进行超声震荡处理，后用去离子水冲洗，干燥，制得铁基液流电池高性能碳毡电极。
[0011]所述的铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，步骤1)中，金属氧化物粉末为FeO、Fe3O4、Cr2O3、CuO的一种或两种以上，金属氧化物粉末的粒径为10～105μm。
[0012]所述的铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，步骤1)中，原碳毡的平均孔隙直径为3～6nm，平均纤维直径为8～12μm，平均BET比表面积为5～20
㎡
/g。
[0013]所述的铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，步骤1)中，流化床干燥和混合时间为20～40min。
[0014]所述的铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，步骤2)中，保护气氛为氮气和氩气的一种或两种混合气体，升温速率为5～10℃/min。
[0015]所述的铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，步骤3)中，硫酸溶液的浓度4.0～7.0mol/L，超声震荡处理时间为20～40min。
[0016]所述的铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，通过在碳毡纤维表面刻蚀出富含边缘碳缺陷的不规则孔洞结构，提升碳毡BET比表面积，碳毡电极接触角为0
°
，有效改善电池正负电极极化，使负极铁具有均匀致密的沉积形貌，提高电池能量效率和循环寿命。
[0017]所述方法制备的高性能碳毡电极，应用在铁基液流电池中。
[0018]由上可知，本专利技术的技术路线和设计思想是：
[0019]首先通过利用流化作用将金属氧化物均匀负载在碳毡上，再通过热处理使金属氧化物与碳毡发生碳热还原反应，从而起到刻蚀碳毡表面的作用。最后通过硫酸溶液溶解还原后的金属及金属氧化物，从而在碳毡材料的碳纤维表面引入不规则的孔洞结构，得到高性能碳毡电极材料。
[0020]本专利技术采用一种基于金属氧化物刻蚀制备的高性能碳毡电极用于铁基液流电池的运行，通过在碳毡纤维表面刻蚀出富含边缘碳缺陷的孔洞结构的方法，获得具有高比表面积和高电化学活性的高性能碳毡电极。既可以同时改善电池正负电极极化，又可以使负极铁具有均匀致密的沉积形貌，以提高电池能量效率和循环寿命，进一步优化铁基液流电池性能。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点及有益效果：
[0022]1)本专利技术利用流化床将金属氧化物粉末均匀高效的负载到碳毡纤维上，有利于大规模生产制备。
[0023]2)本专利技术在热处理刻蚀过程，不仅在电极表面形成了孔洞结构，增加了碳毡的比表面积，使碳毡的BET比表面积达到44m2/g以上，较原始碳毡的BET比表面积提升了3倍左右。此外，热处理过程在碳毡表面引入了大量的含氧官能团，增强了电极的表面润湿性和电化学活性，采用这种具有孔洞结构的电极作为正负极的铁基电池可有效降低电池极化。
[0024]3)对于混合型全铁液流电池而言，本专利技术刻蚀过程中会在孔洞处产生较多微观的边缘碳缺陷，这种富含微观缺陷的孔洞电极在作为负极电极使用时，其碳纤维上的边缘碳缺陷可为铁的沉积提供了成核位点，且使铁不易聚集形成团簇而均匀的分布在电极表面，大大提高了负极反应的可逆性，从而有效延长了电池的循环寿命。
[0025]4)相比于现有的修饰电极方法，本专利技术方法工艺简单易行，提升效果显著，稳定性好，适用范围广，且可推广至其他液流电池体系。
附图说明
[0026]图1是本专利技术实施例1中制备的b)高性能碳毡电极与a)原碳毡电极表面的SEM对比图。
[0027]图2是本专利技术实施例1中制备的b)高性能碳毡电极与a)原碳毡电极在水溶液中的接触角对比结果。
[0028]图3是本专利技术实施例2中制备的b)高性能碳毡电极与a)原碳毡电极表面的SEM对比图。
[0029]图4是本专利技术实施例4中制备的b)高性能碳毡电极与a)原碳毡电极混合型全铁液流电解池中的铁沉积形貌的SEM对比图。
[0030]图5(a)
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图5(b)是本专利技术实施例4中制备的高性能碳毡电极与原碳毡电极在混合型全铁液流电解池中的循环伏安测试对比图。图5(a)为正极，图5(b)为负极；图中，横坐标Potential为电势(V vs.SCE)，纵坐标Current为电流(A)。
[0031]图6(a)
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图6(b)是本专利技术实施例5中制备的高性能碳毡电极与原碳毡电极在铁铬液流电解池中的循环伏安测试对比图。图6(a)为正极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)将足量的金属氧化物粉末和原碳毡，放入流化床干燥机中，进行干燥和充分混合，使碳毡纤维表面充分负载金属氧化物粉末；步骤2)取出碳毡并置于石英管式炉中，在保护气氛下，以恒定速率升温至1000～1500℃，在该温度下条件保温1～2h，进行碳热还原处理，后自然冷却至室温；步骤3)将处理后的碳毡浸泡在硫酸溶液中，进行超声震荡处理，后用去离子水冲洗，干燥，制得铁基液流电池高性能碳毡电极。2.根据权利要求1所述的铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，其特征在于，步骤1)中，金属氧化物粉末为FeO、Fe3O4、Cr2O3、CuO的一种或两种以上，金属氧化物粉末的粒径为10～105μm。3.根据权利要求1所述的铁基液流电池用高性能碳毡电极的制备方法，其特征在于，步骤1)中，原碳毡的平均孔隙直径为3～6nm，平均纤维直径为8～12μm，平均BET比表面积为5～20
㎡

【专利技术属性】
技术研发人员：唐奡，宋袁芳，李瑛，刘东影，李波，
申请(专利权)人：辽宁金谷炭材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：