一种高活性碳纤维毡电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高活性碳纤维毡电极材料及其制备方法和应用。其制备方法如下：1)将碳纤维毡裁剪后放入盛有丙酮溶液的容器中，进行超声震荡，除去碳纤维毡表面的油污，取出后反复水洗，烘干备用；2)放入高浓度氢氧化钾水溶液中，室温下浸泡2～3小时，取出后进行真空干燥；3)将所得样品置入管式炉中，并通入保护气体，以恒定速率升至目标温度，保温2～4小时，然后自然冷却至室温；4)取出样品后，使用酸溶液进行酸洗，之后用去离子水反复水洗，然后烘干；5)对所得样品进行二次扩孔处理：重复步骤2)～4)，制得高活性碳纤维毡电极材料。本发明专利技术以一种较为简单易行的方法实现了碳纤维表面的多孔化，可将其用作全钒液流电池正极材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及大规模储能电池
，更具体的涉及一种高活性碳纤维毡电极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着全球经济社会的发展，人类对电力的需求呈现不断增加的趋势。而传统化石能源发电方式由于资源的有限性和对环境的严重污染将难以满足未来社会对电力的需要。因此，各国政府正不断加大对风能和太阳能等可再生能源的投资研发力度，科技界也掀起了可再生能源利用技术的科技攻关的热潮。各国纷纷制定了可再生能源发展规划，例如美国能源信息署推测，到2030年美国约40％的电力供应量将来自于可再生能源发电。2009年，我国政府在《中国新能源产业振兴规划》中向世界承诺，到2020年将使可再生能源消费占全部能源消费的15％。然而，受季节、气候、昼夜温差等随机性变量的影响，风能、太阳能等可再生能源发电产生随机性波动而具有不连续、不稳定的特点。如果将这些低品位的电能直接并网，将会给电网带来冲击危害，造成电力供应的不稳定性。这为其大规模应用带来重大障碍，造成大面积“弃电”、“废电”等资源浪费的现象。据不完全统计数据，仅2012年，我国所浪费的风电资源已超过20TWh。解决该问题的有效方案是在“可再生能源发电”和“电网”之间引入起规整、平滑作用的储能技术作为中介，以改变传统“即发即用”的电力供应模式。首先将低品位的电能存储起来，经整合后再以平滑、稳定的方式进行并网输出。在诸多储能技术中，全钒液流储能电池(VanadiumFlowBattery，VFB)因具有以下诸多优点：1)能量效率高、运行安全稳定、循环寿命长；2)选址自由，功率和容量相互独立，系统设计灵活；3)无污染、电解液容易再生、维护简单及运营成本低等，被认为是用来解决太阳能、风能等可再生能源发电系统随机性和间歇性非稳态缺陷问题的最有前景的技术，在可再生能源发电和智能电网建设中有着重大需求。除此以外，该项技术在电网“削峰填谷”、不间断应急电源、电动车充电站、通讯基站以及军事领域均有着重要的潜在应用价值。在美国2012年制定的储能技术发展规划中，全钒液流储能电池名列优先发展技术的首位。此项技术最早于1985年由澳大利亚新南威尔士大学的MarriaKacos教授及其合作者提出，他们采用不同价态的钒离子VO2+/VO2+，V2+/V3+分别作为正、负极活性物质，在很大程度上避免了正负极电解质溶液的交叉污染。该技术已有若干个示范项目在不同地域运行，其核心技术主要被日本、美国、澳大利亚、加拿大和欧洲等发达国家所掌握。我国后来居上，自上世纪九十年代也开始进行各项技术攻关并积极推行示范运行，主要研究单位有中科院大连化学物理研究所、清华大学、中南大学等科研院校以及大连融科储能、北京普能等企业。然而，要实现商业化普及应用，全钒液流储能技术电池还存在一系列问题亟待解决。提高全钒液流电流的充放电电流密度，减小电池模块的尺寸，进而降低生产制造成本是近年来该领域十分重要的研究方向。电极材料是液流储能电池中的关键材料之一，也是决定电池功率密度的重要因素。目前VFB用的主要电极材料为碳纤维毡或石墨毡。这种电极材料的主要优点是孔隙率高，导电性能好、耐酸腐蚀性能优良，但其比表面积较小且对于VO2+/VO2+氧化还原电对的电极反应活性及可逆性较差，而成为限制电池功率密度提高的主要因素之一。为了提高碳纤维材料的性能，通常需对其进行表面处理或修饰，常用的方法主要包括表面氧化和金属包覆。碳纤维表面氧化的方法主要包括：高温空气氧化、热硫酸处理、臭氧氧化、等离子体刻蚀、电化学氧化等，可提高纤维表面的含氧官能团如羟基、羧基的数量，可提高电极材料与电解液的浸润性和电极反应活性。然而氧化处理容易降低碳纤维的机械性能和导电性能，并且容易造成电极材料在充电过程中析氧过电位的下降。表面包覆是在电极表面沉积具有催化活性的金属或金属氧化物粒子，以提高电极反应的电化学活性和动力学可逆性。但金属材料在强酸性、强氧化性电解液体系的长期运行中的稳定性问题难以解决，且所用的金属大多数为贵金属或其合金如Ir、Pt、Ru等，高成本也是其大规模应用的障碍。因此，开发一种比表面积大、催化活性高、循环性能稳定且价格低廉的电极材料仍是该领域中重要的研究课题。近年来，活性碳纤维(Activatedcarbonfiber，ACF)引起了人们极大的关注兴趣，它是随碳纤维工业发展而开发出新一代纤维状活性碳。相比传统碳纤维材料，ACF具有更高的比表面积(900～2500m2g-1)，具有丰富的微孔结构和适量的表面官能团如-OH，-COOH，-C＝O和内酯基等，此外，它还对流经其内部的活性物质具有较快的吸附-脱附动力学速率。因而它在废水处理、空气净化、催化剂载体和电极材料等领域有着广泛的用途。Deng等人将ACF用作微生物燃料电池阴极材料，ACF未负载任何催化剂的情况下使电池的功率密度达到了315mWm-2，明显高于传统的负载了Pt催化剂的碳纤维纸阴极材料(124mWm-2)。然而，活性碳纤维织物-活性碳纤维毡(Activatedcarbonfiberfelt，ACFF)用作VFB电极材料还未见诸报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高活性碳纤维毡电极材料及其制备方法和应用，旨在解决普通碳纤维织毡对于VO2+/VO2+氧化还原电对的电催化活性低的问题。本专利技术是这样实现的，一种高活性碳纤维毡电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)将碳纤维毡裁剪后放入盛有丙酮溶液的容器中，进行超声震荡，除去碳纤维毡表面的油污，取出后反复用去离子水洗涤，烘干备用；2)将碳纤维毡放入高浓度氢氧化钾水溶液中，室温下浸泡2～3小时，取出后进行真空干燥；3)将真空干燥后得到的样品置入管式炉中，并通入保护气体，以恒定速率升至目标温度，在该温度条件下保温2～4小时，然后自然冷却至室温；4)取出样品后，使用酸溶液进行酸洗，之后用去离子水反复水洗，然后烘干；5)对所得样品进行二次扩孔处理：重复步骤2)～4)，制得高活性碳纤维毡电极材料。优选地，步骤2)中所述氢氧化钾水溶液的浓度为为6～12mol/L。优选地，步骤3)中所述保护气体为氮气、氦气、氩气中的一种或两种以上混合气体；所述恒定速率为5～10℃/min；所述目标温度为600～800℃。优选地，步骤4)中所述酸溶液为0.5～2.0mol/L的盐酸、硫酸和硝酸中的一种或两种以上混合溶液。本专利技术还提供了一种上述制备方法制得的制得的高活性碳纤维毡电极材料。本专利技术还提供了一种上述的制备方法制得的高活性碳纤维毡电极材料在钒液流电池中的应用。相对于现有技术，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术以一种较为简单易行的方法实现了碳纤维表面的多孔化，可将其用作全钒液流电池正极材料，一方面提高了作为电极反应发生场所的活性比表面积；另一方面有利于电解质溶液中的活性物质在电极表面的吸附，因而明显提高了电极材料的电催化活性，同时能够降低VO2+/VO2+氧化还原电对电极反应的电荷传递阻抗及由此产生的极化过电位，显著提高了电极反应的可逆性。本专利技术制备的高活性碳纤维毡电极材料可用于组装全钒液流电池，大幅提高电池的能量转化效率及充放电电流密度，进而提高电池的功率密度，在完成相同储能任务的同时，能减小电池模块的体积和生产制造成本。有利于促进全钒液流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高活性碳纤维毡电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)将碳纤维毡裁剪后放入盛有丙酮溶液的容器中，进行超声震荡，除去碳纤维毡表面的油污，取出后反复用去离子水洗涤，烘干备用；2)将碳纤维毡放入高浓度氢氧化钾水溶液中，室温下浸泡2～3小时，取出后进行真空干燥；3)将真空干燥后得到的样品置入管式炉中，并通入保护气体，以恒定速率升至目标温度，在该温度条件下保温2～4小时，然后自然冷却至室温；4)取出样品后，使用酸溶液进行酸洗，之后用去离子水反复水洗，然后烘干；5)对所得样品进行二次扩孔处理：重复步骤2)～4)，制得高活性碳纤维毡电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种高活性碳纤维毡电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)将碳纤维毡裁剪后放入盛有丙酮溶液的容器中，进行超声震荡，除去碳纤维毡表面的油污，取出后反复用去离子水洗涤，烘干备用；2)将碳纤维毡放入高浓度氢氧化钾水溶液中，室温下浸泡2～3小时，取出后进行真空干燥；3)将真空干燥后得到的样品置入管式炉中，并通入保护气体，以恒定速率升至目标温度，在该温度条件下保温2～4小时，然后自然冷却至室温；4)取出样品后，使用酸溶液进行酸洗，之后用去离子水反复水洗，然后烘干；5)对所得样品进行二次扩孔处理：重复步骤2)～4)，制得高活性碳纤维毡电极材料。2.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚川，付华峰，孙红，张森，孙友庆，阮因伟，
申请(专利权)人：许昌学院，
类型：发明
国别省市：河南;41