[发明专利]全钒液流电池用纳米石墨粉／纳米碳纤维复合电极的制备方法

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纳米石墨粉/纳米碳纤维复合电极的制备方法。 

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材料主要为碳素类的石墨毡或炭毡，该材料具有电阻率低、比表面积大、化学及电化学稳定等优点。但是，全钒液流电池电极反应在其表面的电化学活性较低，所以需要对石墨毡或炭毡进行活化处理来提高其电化学活性，进而提高电池性能。 

如今，有很多针对炭毡或石墨毡电极材料的改性方法，其中包括液相或气相化学处理、电化学处理、过渡金属及其氧化物修饰，但是这些方法对于提高碳纤维的电化学活性很有限，而且容易破坏碳纤维的优异物理性能。另外，修饰在碳纤维上的过渡金属及其氧化物不能长期存在在其表面，电化学性能不稳定。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种全钒液流电池用纳米石墨粉/纳米碳纤维复合电极的制备方法，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、电极材料的电催化性能不稳定等问题。 

本发明的技术方案为(见权利要求书)： 

本发明的设计思想是： 

本发明首先配制实验所需的纺丝液，再将纳米石墨粉与纺丝液混合均匀，通 过静电纺丝的方法，制备出所需要的纳米纤维膜。然后在空气中对纳米纤维膜进行预氧化(温度200～300℃)，在惰性气氛管式炉中碳化(温度600～1500℃)，得到所需要的纳米石墨粉/纳米碳纤维复合电极。对所得到的电极材料进行清洗、烘干后，即可对其进行相关电化学性能表征和充放电性能测试。采用本发明的方法制备的全钒液流电池复合电极，碳纤维直径在纳米级别，又由于将其与高导电性的纳米石墨粉复合，导致纤维的粗糙度大幅增加，从而使其比表面积比传统使用过的电极材料大两个数量级。同时，高活性纳米石墨粉也使得电极的电化学活性得到改善，从而极大地的提高了全钒液流电池的能量效率。另外，通过控制静电纺丝工艺参数和碳化温度及时间，可以有效控制电极材料的形貌等，该方法为一种制备全钒液流电池用复合电极的高效实用的技术。 

本发明的优点和有益效果如下： 

1.本发明提出的制备全钒液流电池用复合电极材料的方法能够制备出由纳米碳纤维编织而成的电极材料，使得电极的比表面积大大提高。又由于与高导电性的纳米石墨粉复合使纤维的粗糙度大幅增加，进一步增大了电极的比表面积。 

2.本发明提出的制备方法，可以通过静电纺丝技术将高电催化活性的纳米石墨粉纺到纳米碳纤维的内部，在电池运转过程中，纳米石墨粉能够稳定的存在于电极中，既提高了电极的电化学活性，又可以避免纳米石墨粉对钒溶液的污染。 

3.本发明所用到的静电纺丝设备简单，实验条件易于满足，而且通过控制实验参数等可以很好的控制纤维的形貌、成分、结构等。 

4.本发明方法价格低廉、易于操作，可以制备出高电化学活性的全钒液流电池用复合电极。 

5.本发明的全钒液流电池电极反应在电极材料表面活性高，电极材料的电催化性能稳定。 

具体实施方式

在本发明的具体实施方式中，全钒液流电池用纳米石墨粉/纳米碳纤维复合电极的制备方法，包括以下的步骤和工艺方法： 

1)纺丝液的制备：将聚丙烯腈或聚乙二醇以一定的比例加入到二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中，水浴条件下搅拌均匀； 

其中，聚丙烯腈的平均分子量为50000～200000，聚乙二醇的平均分子量为2000～10000，聚丙烯腈或聚乙二醇与二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺的质量比为 5：95到20：80(优选为10：90到15：85)，水浴温度为40～80℃，聚丙烯腈或聚乙二醇在二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中的搅拌时间为0.5～24小时(优选为3～6小时)。 

2)将不同粒径的纳米石墨粉按比例加入到步骤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。纳米石墨粉在复合纺丝液中的搅拌时间为1～24小时(优选为6～18小时)，超声时间为0.5～10小时(优选为2～6小时)。