改性液流电池碳毡及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改性液流电池碳毡，其中所述碳毡中的碳纤维的表面附着有氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片。本申请还公开了改性液流电池碳毡的制备方法，该方法包括碳毡清洁步骤、碳毡氧化步骤，以及用水热合成法对碳毡的表面进行氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片改性的步骤。本发明专利技术提供的全液流电池用碳毡电极的前处理方法具有获得低成本、高性能的碳毡，使用其组装出全液流单电池的相比使用传统材料性能更佳。性能更佳。性能更佳。

【技术实现步骤摘要】
改性液流电池碳毡及其制备方法


[0001]本专利技术涉及液流电池
，尤其涉及一种含有氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片的全液流电池用碳毡电极的前处理方法。

技术介绍

[0002]随着人类社会的发展与科学技术的进步，能源的需求也在逐渐增加，有限的非可再生能源无法保证可持续发展的需要，以化石能源为主的传统能源供应结构日益成为制约社会经济发展的瓶颈，大力开发可再生能源，是解决能源问题的重要途径，其中，全液流电池已经成为电池中发展最为成熟的技术，电极是全液流电池的关键部件，常用材料为碳毡、石墨毡和碳布等，碳毡由碳纤维纺织而成，具有成本低、比表面积大、机械性能强和稳定性高等优点，但是，目前应用最多的电极材料，由于其疏松多孔的结构，在浸润电解液的情况下，碳毡的导电性依然不高；同时，若直接应用于全液流电池，其表面的电化学活性和可逆性偏低，会导致电池性能较差，因此，使用前，必须对碳毡进行处理，提高碳毡的导电性和电化学活性。
[0003]对碳毡、石墨毡电极的研究中，研究者们研究了两种不同的处理方法来修饰这些电极并提高其电化学活性。一种方法是对碳纤维和石墨纤维表面进行改性，增加亲水性和官能团，尽管这些方法在电极改性方面很有效，但由于使用强腐蚀性的酸性溶液以及需要热量或辐射，这些方法难以大规模应用。另一种方法是在电极上掺杂碳基或沉积金属及氧化物。在电极上掺杂碳基，即在碳纤维或石墨纤维的表面生长碳纳米管、石墨烯和氧化石墨烯等以引入额外的活性位点并促进电子转移，然而这些材料的合成方法通常比较复杂，并且合成材料在长期运行过程中的力学和电化学稳定性需要进一步研究。与这些碳基材料相比，但贵金属较高的成本限制了其在进一步研究中的应用潜力。因此，近年来人们广泛研究了 锆氧化物 ，钛氧化物， 锌氧化物等。
[0004]钴氧化物因来源广泛、成本经济并且对环境友好等特点，一直以来被作为国内外研究的热点。迄今为止，不同尺寸和结构的氧化钴已被认为是非常具有发展潜力的材料，已在超级电容器等可再生能源技术中有一定的应用。因此，有必要提供一种全液流电池用碳毡电极的前处理方法以解决上述技术问题。
[0005]为了提高其电化学性能，本专利专利技术了一种含有氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片的液流电池用碳毡：首先，纳米化的电极材料颗粒小，增大了电极材料与电解液 接触面积，最大程度的改善材料单独应用的缺陷，充分发挥复合电极材料的协同作用。其次，碳材料由于其丰富的来源、良好的导电性以及独特的物理与化学特性，被用来与氧化钴纳米材料一起构建无定型碳包覆/氧化钴纳米材料等复合电极以提高电化学性能。此外氮掺杂可以进一步提高了电子电导率，还提供了大量的活性位点。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种获得低成本、高性能的碳毡，其特征在于该
碳毡的碳纤维的表面附着氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片。
[0007]本专利技术提供的全液流电池用碳毡电极的前处理方法包括以下步骤：碳毡清洁，将碳毡进行清洗，再经过干燥；碳毡氧化，将清洗后的碳毡进行碳毡在空气中煅烧，使碳纤维表面被氧化，提高其亲水性；将表面氧化的碳毡放入装有氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片溶液的水热反应釜中，用水热合成法对碳毡的表面进行氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片改性；为了达到方便对碳毡进行裁剪和清洗的效果，所述步骤S1中将碳毡分别用无水乙醇、去离子水超声清洗0.5~3h，再充分干燥。
[0008]为了达到方便对碳毡进行氧化的效果，所述步骤S2中将步骤S1中处理后的碳毡放入在 500℃的空气中煅烧 3 h，使碳纤维表面被氧化，提高其亲水性。
[0009]为了达到方便对氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片的制备，所述氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片的制备方法包括如下步骤: 称取0.1～2.5g Co(NO3)2·
6H2O加入到20～100mL的去离子水中，搅拌10～40min，加入0.1～2g尿素，搅拌至形成无固体沉淀的溶液,然后向5～35mL混合溶液中加入0.1～2g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌10～40min，在惰性气体氛围中，将管式炉以1～15℃min
‑1升温速率升至300～600℃，保温煅烧1～5h，然后随炉冷却至室温，即获得氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片。 应当理解，本申请并不局限于上述类型的氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片，还可以是适合于本申请的方法发的其他氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片。
[0010]为了达到方便用水热合成法对碳毡的表面进行氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片改性，在所述步骤S4中将S2所得的碳毡放入装有 50 mL 0.07 mol L
‑
1 氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片溶液的水热反应釜中，于 130℃烘箱中反应 10 h，待其冷却到室温，再用去离子水轻微冲洗，在 80℃烘箱中干燥 7 h 。将制备的碳毡置于管式炉中，以 2℃min
‑
1 的速度将温度升至 300℃，将样品煅烧 1 h。然后，以相同的加热速率继续将温度升至 400℃，将样品再煅烧 2 h，冷却至室温，制得氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片改性的碳毡。
[0011]为了达到方便单电池测试，对碳毡前处理效果进行测试。分别以3.5cm*4.5cm尺寸的两块未处理碳毡和两块前处理碳毡作为单电池正负极， 使用相同厚度的阳离子交换膜，组装单电池。 组装单电池后再以1.8mol/L钒离子浓度，3.9 mol/L硫酸浓度的钒电解液作为正负极电解液，进行90mA/cm2恒定电流密度的充放电测试。 充放电测试后对比单电池电阻值和各项电化学性能参数，验证碳毡前处理的效果。
附图说明
[0012]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0013]图1为本专利技术提供的一种含有氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片的液流电池用碳毡的一种较佳实施例的方法流程图；图2 A为改性前碳毡表面结构示意图；
图2 B为根据图1的方法改性后碳毡表面结构示意图。
具体实施方式
[0014]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0015]实施例一请结合参阅图1，其中，图1为本专利技术提供的全液流电池用碳毡电极的前处理方法的一种实施例的方法流程图。全液流电池用碳毡电极的前处理方法包括以下步骤：在具体实施过程中，如图1所示，步骤S1、碳毡清洁步骤，即将碳毡进行清洗，再经过干燥后备用；步骤S2、碳毡氧化步骤，即将步骤S1中清洗后的碳毡进行碳毡在空气中煅烧，使碳纤维表面被氧化，提高其亲水性；步骤S3、制备氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片的步骤；步骤S4、将步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性液流电池碳毡，其特征在于：所述碳毡的碳纤维的表面附着有氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片。2.根据权利要求1所述的改性液流电池碳毡，其特征在于：用水热合成法对所述碳毡的表面用0.07 mol L
‑1或0.1 mol L
‑1的氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片改性。3.根据权利要求2所述的改性液流电池碳毡，其特征在于：对于由0.07 mol L
‑1的氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片改性的所述改性液流电池碳毡，取两块3 .5cm*4.5cm尺寸所述改性液流电池碳毡作为单电池正负极，各单电池使用相同厚度的阳离子交换膜，组装单电池，以1.8mol/L钒离子浓度，3.9mol/L硫酸浓度的钒电解液作为正负极电解液，进行90mA/cm2恒定电流密度的充放电测试，碳毡组装的单电池的充放电电阻值围为15.9mΩ，电压效率为89.7%、库伦效率为98.9%、能量效率为88.9%。4.根据权利要求2所述的改性液流电池碳毡，其特征在于：对于由0.1mol L
‑1的氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片改性的所述改性液流电池碳毡，取两块3 .5cm*4.5cm尺寸所述改性液流电池碳毡作为单电池正负极，各单电池使用相同厚度的阳离子交换膜，组装单电池，以1.8mol/L钒离子浓度，3.9 mol/L硫酸浓度的钒电解液作为正负极电解液，进行90mA/cm2恒定电流密度的充放电测试，碳毡组装的单电池的充放电电阻值围为14.6mΩ，电压效率为90.6%、库伦效率为99.1%、能量效率为89.7%。5.根据权利要求1所述的改性液流电池碳毡，其特征在于：所述氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片由以下方法制备: 称取0.1～2.5g Co(NO3)2·
6H2O加入到20～100mL的去离子水中，搅拌10～40min，加入0.1～2g尿素，搅拌至形成无固体沉淀的溶液,然后向5～35mL混合溶液中加入0.1～2g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌10～40min，在惰性气体氛围中，将管式炉以1～15℃min
‑1升温速率升至300～600℃，保温煅烧1～5h，然后随炉冷却至室温，即获得氮掺杂碳层包覆的氧化钴纳米片。6.一种改性液流电池碳毡...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺晓蕊，
申请(专利权)人：上海嘉资新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：