[发明专利]一种全钒液流电池用高活性不对称电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池制造及能源存储领域，具体为一种全钒液流电池用高活性不对称电极及其制备方法。

背景技术

全钒液流电池是一种利用钒离子不同价态的化学变化进行储能的新型二次电池，其正负极活性物质均为钒的硫酸溶液，电极反应均发生于液相，极大的降低了电化学极化，其额定功率及额定功率均能单独设计，通过更换电解液能达到瞬时充电，100％深度放电也不会对电池有所损害。基于以上优点，其可以广泛应用于风能、太阳能等储能、电网调峰、不间断电源等方面。

目前，全钒液流电池所用的电极结构主要为对称电极结构，即将碳素类的石墨毡或炭毡同时作为正极和负极。然而，既由于全钒液流电池电极反应在炭毡表面的电化学活性较低，也由于电池在炭毡上的负极反应速率慢于正极的，使得电池性能受到很大制约。所以，需要改变这种以炭毡为正负极的对称电极，在改善电极反应活性的同时减小正负极反应速率差异，从而切实有效地提高电池能量效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全钒液流电池用高活性不对称电极及其制备方法，解决现有技术中存在的全钒液流电池电极反应在电极材料表面活性低、正负极反应速率不匹配、负极的析氢副反应严重等问题。

本发明的技术方案为：

一种全钒液流电池用高活性不对称电极，以碳纳米管/纳米碳纤维复合电极材料作为全钒液流电池的正极，铋基催化剂/纳米碳纤维复合电极材料作为全钒液流电池的负极。

所述的全钒液流电池用高活性不对称电极的制备方法，包括以下的步骤和工艺方法：

1)纺丝液的制备：将聚丙烯腈以一定比例加入到二甲基甲酰胺中，水浴条件下搅拌均匀；

其中，聚丙烯腈的平均分子量为50000～200000，聚丙烯腈与二甲基甲酰胺的质量比为5：95到20：80，水浴温度为40～80℃；

2)将铋盐或碳纳米管按比例加入到1)所述的纺丝液中，通过搅拌或者超声的方式使其分散均匀；

其中，所加入的铋盐或碳纳米管与溶液中的聚丙烯腈的质量比为1：100到10:1；

3)将步骤2)得到的复合纺丝液利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为0.01～5毫米；

4)将步骤3)得到的纳米纤维膜经过气氛炉进行预氧化及碳化；

其中，预氧化温度为200～300℃，时间为0.5～4小时；碳化温度为600～1500℃，时间为0.5～10小时，惰性保护气氛为氮气或者氩气；

5)将步骤4)得到的碳纳米管/纳米碳纤维复合电极材料装在全钒液流电池正极，铋基催化剂/纳米碳纤维复合电极材料装在其负极。

所述的全钒液流电池用高活性不对称电极的制备方法，步骤1)中，聚丙烯腈在二甲基甲酰胺中的搅拌时间0.5～24小时。

所述的全钒液流电池用高活性不对称电极的制备方法，步骤2)中，铋盐或碳纳米管在复合纺丝液中的搅拌时间为1～24小时，超声时间为0.5～10小时。

所述的全钒液流电池用高活性不对称电极的制备方法，步骤2)中，铋盐为氯化铋、硝酸铋或柠檬酸铋，碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

所述的全钒液流电池用高活性不对称电极的制备方法，步骤3)中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为0.3～2.0毫米，注射器容量为5～500毫升，纺丝液流速为0.2～5毫升/小时，转辊的转速为100～1000转/分钟，针头与转辊之间的电压为10～50千伏，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为10～50厘米，纺丝温度为20～50℃，纺丝湿度为20～70％RH。

所述的全钒液流电池用高活性不对称电极的制备方法，转辊上纳米纤维膜的收集板为炭纸、石墨纸、炭布、铝箔、锡箔、氧化铝箔中的一种，炭纸、石墨纸的厚度为30～300微米，炭布的厚度100～1000微米，铝箔、锡箔、氧化铝箔的厚度为10～100微米。

所述的全钒液流电池用高活性不对称电极的制备方法，步骤4)中，预氧化处理的升温速度为2～25℃/分钟，碳化处理的升温速度为2～25℃/分钟，惰性保护中的气体流量为20～100毫升/分钟。

所述的全钒液流电池用高活性不对称电极的制备方法，最终的全钒液流电池用电极是由碳纳米管/纳米碳纤维复合电极材料作正极，铋基催化剂/纳米碳纤维复合电极材料作负极的高活性不对称电极。

本发明的设计思想是：