一种提升锌基液流电池面容量的碳毡电极的制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种提升锌基液流电池面容量的碳毡电极的制备方法，包括如下步骤：（1）将商业化的碳毡进行热处理，以除掉有机杂质；（2）将热处理的碳毡浸入多巴胺溶液中并进行磁力搅拌，加入氧化剂溶液使碳毡表面形成聚多巴胺涂层，之后将碳毡取出干燥；（3）将干燥的碳毡直接作为电极使用，或进行二次热处理后作为电极使用。通过优化氧化剂与多巴胺的摩尔比以及二次热处理方法，所制备的碳毡纤维表面被N、O双原子共掺杂，将其作为锌基液流电池的负极，电池可以避免在高面容量条件下锌枝晶或“死锌”形成的可能性，最终促进电池在高面容量条件下具备卓越性能。备卓越性能。备卓越性能。

【技术实现步骤摘要】
一种提升锌基液流电池面容量的碳毡电极的制备方法与应用


[0001]本专利技术属于液流电池电极材料领域，具体涉及一种N、O双原子共掺杂的碳毡电极的制备方法及其在锌溴液流电池中的应用。

技术介绍

[0002]工业文明的进步通常与电能的消耗密不可分。然而，单纯的依赖传统化石燃料供电难以保障人类经济和社会的持续进步。同时，伴随着化石燃料的消耗产生的酸雨和二氧化碳导致严重的气候变化和环境破坏。因此，发展太阳能和风能等可再生能源发电，并扩大其在能源结构的比重成为可持续环保发展的关键因素。然而，上述可再生能源的波动性和不稳定性迫切需要“电力银行”——长时储能设备以实现电能的供需匹配。针对长时储能的需求，目前所采用的抽水蓄能和压缩空气储能过分依赖于地理条件和气候环境难以具备多地域适用的优点，传统的锂电池因资源短缺和安全性也难以实现大规模储能的需求。水系氧化还原液流电池将电能转化为电化学能储存在电解液中提高了储能设备的安全性，同时其具备功率和能量相互独立设计的优点。
[0003]目前商业化或接近商业化的水系氧化还原液流电池主要分为全钒液流电池、铁铬液流电池和锌基液流电池。相对于全钒液流电池的高成本和铁铬液流电池的能量密度较低等缺点，水系锌基液流电池由于其固有的安全性、低成本、理论能量密度高和资源丰富的内在优点，逐渐成为长时储能新星。
[0004]锌基液流电池的面容量通常与沉积锌的数量和形貌密切相关。然而，由于电极表面憎水性和较少的活性位点，充电过程中锌离子倾向于沉积于电极表面并阻碍后续锌离子在电极内部的进一步还原。此外，受“尖端”效应的影响，后续还原的锌更倾向于形成热力学稳定的锌突起并随后形成锌枝晶。锌枝晶的形成可能刺破隔膜导致电池自放电甚至短路，影响电池循环使用寿命。且电极表面不规则分布的锌容易脱落形成“死锌”降低电解液中的活性物质浓度，并最终影响电池的面容量。电极作为锌基液流电池的重要组件之一，提高电极材料的亲水性和活性位点数量将调控锌沉积过程以抑制锌枝晶和“死锌”的形成。因此，通过对电极修饰成为获取高面容量锌基液流电池的重要方法之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了提供一种提升锌基液流电池面容量的碳毡电极的制备方法，应用于锌溴液流电池后可以调控锌沉积过程，提高电池面容量与性能。
[0006]鉴于此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]碳毡电极表面的N原子主要以吡啶
‑
N，吡咯
‑
N和石墨
‑
N的形式存在，而其中石墨
‑
N和吡啶
‑
N占主要组成。碳毡电极表面的O原子以羰基、羟基和羧基等形式存在，亲水性的羟基和羧基占主要组成。结构完整的碳毡主要表现为高温热处理过程并未破坏其结构的完整性，纤维直径依然维持在数十微米之间。所述的N、O双原子掺杂的碳毡电极主要应用锌基液流电池的负极以提高其面容量。
[0008]具体地，所述提升锌基液流电池面容量的碳毡电极的制备方法，包括如下步骤：
[0009]（1）将商业化的碳毡进行热处理，以除掉有机杂质；
[0010]优选地，步骤（1）中，所述碳毡的厚度为3
‑
6 mm，孔隙率为90
‑
98%。
[0011]优选地，步骤（1）中，所述热处理在马弗炉中进行，加热速率为3
‑
8 ℃/min，优选为5 ℃/min，加热温度为400
‑
600℃，优选为500℃，加热时间为1
‑
3 h，优选为2 h。热处理结束后碳毡随炉冷却至室温。
[0012]（2）将热处理的碳毡浸入多巴胺溶液中并进行磁力搅拌，加入氧化剂溶液使碳毡表面形成聚多巴胺涂层，之后将碳毡取出干燥；
[0013]优选地，步骤（2）中，所述多巴胺溶液制备过程包括：将三羟甲基氨基甲烷（Tris）溶于超纯水中，Tris浓度为40
‑
60 mmol/L，磁力搅拌下用稀盐酸将pH调至8
‑
9，优选8.5
±
0.1，得到缓冲液；将盐酸多巴胺溶于所述缓冲液中，搅拌5
‑
30min得到多巴胺溶液，所述盐酸多巴胺的摩尔浓度为5
‑
15 mmol/L，优选为10.6 mmol/L。
[0014]优选地，步骤（2）中，将热处理的碳毡浸入多巴胺溶液中，磁力搅拌30 min以加速多巴胺溶液浸润碳毡材料，磁力搅拌速度为250
‑
500 rpm。
[0015]优选地，步骤（2）中，所述氧化剂选自高碘酸钠、双氧水、高锰酸钾、过硫酸铵和硫酸铜中的一种或多种，所述氧化剂溶液的浓度为5
‑
25 mmol/L；所述氧化剂与多巴胺的摩尔比为0.5
‑
2:1。优选将浓度为21.2 mmol/L的高碘酸钠溶液作为氧化剂溶液。
[0016]优选地，步骤（2）中，加入氧化剂溶液后，继续磁力搅拌1
‑
2 h，以保证碳纤维表面附着足够数量的聚多巴胺，然后将碳毡取出，置于真空或非真空条件下50
‑
80℃下干燥12 h。
[0017]（3）将干燥的碳毡直接作为电极使用，或进行二次热处理后作为电极使用。
[0018]优选地，步骤（3）中，二次热处理在马弗炉中进行，加热速率为3
‑
8 ℃/min，优选为5 ℃/min，加热温度为300
‑
500℃，优选为400 ℃，加热时间为2
‑
4 h，优选为3 h。
[0019]本专利技术还提供了所述碳毡电极在锌基液流电池中的应用。所述的锌基液流电池包括但不限于目前商业化的锌溴液流电池，同样适用于其他类型的锌基液流电池，如锌铁液流电池、锌镍液流电池、锌锰液流电池和锌碘液流电池，以提升它们的面容量。
[0020]本专利技术的优势在于：
[0021]（1）优化氧化剂与多巴胺的摩尔比，可以将多巴胺聚合时间由传统的空气气氛24 h缩短至2 h，以降低时间成本；二次热处理采用空气气氛进一步改善了聚多巴胺的分布，使电极具有更好的电催化活性。另外碳毡表面因聚多巴胺的保护作用未发生明显的结构性破坏，纤维直径维持在原始的数十微米之间，因此二次热处理后的碳毡具有可靠的循环稳定性。
[0022]（2）处理后的碳毡纤维表面具有丰富的含氮官能团，能提升电极材料的电催化性能。其中，吡啶
‑
N和吡咯
‑
N原子将产生局域电荷密度以加速锌离子的吸附和传输，增强锌与电极材料的结合能力，并降低锌离子沉积过电位，最终实现锌的均匀电沉积；石墨
‑
N有利于维持电极材料的电导率和结构稳定性，以降低电极极化并改善电池循环稳定性。
[0023]（3）处理后的碳毡具有更为丰富的含氧官能团。其中亲水性的羟基和羧基占主导地位。碳毡润湿性的改善将降低电极和电解液间的界面阻力并减缓泵耗损失。
附图说明
[0024本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升锌基液流电池面容量的碳毡电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将商业化的碳毡进行热处理，以除掉有机杂质；（2）将热处理的碳毡浸入多巴胺溶液中并进行磁力搅拌，加入氧化剂溶液使碳毡表面形成聚多巴胺涂层，之后将碳毡取出干燥；（3）将干燥的碳毡直接作为电极使用，或进行二次热处理后作为电极使用。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述碳毡的厚度为3
‑
6 mm，孔隙率为90
‑
98%。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述热处理在马弗炉中进行，加热速率为3
‑
8 ℃/min，加热温度为400
‑
600℃，加热时间为1
‑
3 h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述多巴胺溶液制备过程包括：将Tris溶于超纯水中，Tris浓度为40
‑
60 mmol/L，磁力搅拌下用稀盐酸将pH调至8
‑
9，得到缓冲液；将盐酸多巴胺溶于所述缓冲液中，搅拌5
‑
30min得到多巴胺溶液，所述盐酸多巴胺的摩尔浓度为5
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【专利技术属性】
技术研发人员：王德仁，孙晓云，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：