[发明专利]提高功能性的钒液流电池用电极及采用它的钒液流电池

说明书

本发明涉及一种提高功能性的钒液流电池用电极及采用该电极的钒液流电池，其特征在于，所述电极包括非织造的多孔性碳基材，所述多孔性碳基材含有碳纤维及一种以上的导电性碳类。

技术领域

本发明涉及一种钒液流电池用电极及采用该电极的钒液流电池，更详细而言，涉及一种钒的氧化还原可逆性和电流密度得到提高的钒液流电池用电极及通过采用该电极而具有得到提高的充放电容量及电池效率的钒液流电池。

本发明涉及一种接受中小企业技术核心开发事业的援助而执行的项目(项目编号20132020102170)“电力负荷调节及作为停电灾难备用200kwh级ESS的还原液流电池堆叠体以及系统开发”的结果。

背景技术

作为大容量二次电池积极进行氧化还原液流电池的研究和开发。氧化还原液流电池为通过电解质中的活性物质被氧化(Oxidation)-还原(Reduction)而进行充电及放电的系统，是将电解液的化学能直接储存成电能的电化学蓄电装置。

如图1所示，氧化还原液流电池10由串联层压有单元电池20的堆叠体30、储存有氧化状态彼此不同的活性物质的储罐40、50和在充电及放电时使活性物质循环的泵42、52构成。阴极和阳极的电解质利用将钒(V)、铁(Fe)、铬(Cr)等活性物质和锡(Sn)等过渡金属溶解到强酸溶液中的酸性水溶液。堆叠体30由单元电池20和两个端板60、62构成。单元电池20和端板60、62通过多个连接棒64来紧固。

如图2所示，单元电池20基本上具备：隔膜22；一对电极24，被配置在隔膜的两侧；和一对分离板26，被配置在电极24的两侧。这种电极与流向氧化还原液流电池10的电解质直接接触，在充电及放电时提供溶解到电解质中的电活性物质所反应的活性部位，发挥提供电子的移动通道的功能。因此，用作电极的物质，需要导电性较大且比表面积较大，提供能够产生电活性物质的氧化还原反应的反应位置。

作为通常的氧化还原液流电池的电极，主要使用具有较高的导电性和抗腐蚀性的碳纤维毡。碳毡的表面处理技术作为如下的重要技术而广为人知：通过增加碳纤维毡的表面积并提供电活性物质的氧化还原反应位置来决定氧化还原液流电池的效率和性能。

用作碳纤维电极的碳纤维毡可通过对碳纤维前驱体毡进行碳化来制造。碳纤维前驱体毡可由人造纤维、聚丙烯腈纤维等来制造，碳化及石墨化在氮气氛或真空气氛下实施。对于碳纤维前驱体毡，通过碳化及石墨化工序来分解并去除碳以外的其余元素，仅剩碳而构成碳纤维毡(干式工序)。

但是，由于在采用碳纤维毡电极的氧化还原液流电池中所使用的碳纤维毡的厚度为3mm以上，并且在充放电电流密度方面存在极限，因此限制氧化还原液流电池的输出功率密度。

发明内容

鉴于此，本发明人开发并研究了与现有的碳纤维毡电极相比厚度较薄且充放电电流密度高而能够提高氧化还原液流电池的输出功率密度的电极，其结果完成了本发明。

本发明的目的在于提供一种新的钒液流电池用电极，其通过提高活性物质的氧化还原可逆性和电流密度而使采用该电极的氧化还原液流电池的充放电容量增加。

此外，本发明的目的在于提供一种充放电容量及电池效率得到改善的钒液流电池。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供一种钒液流电池用电极，所述电极包括非织造的多孔性碳基材，所述多孔性碳纤维含有碳纤维及一种以上的导电性碳类。

优选所述导电性碳类为选自由活性炭、炭黑、乙炔黑、科琴黑(Ketjen Black)、超导电乙炔炭黑、碳须晶、气相生长碳纤维(VGCF：Vapor Grown Carbon Fiber)、炭气凝胶、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角(carbon nanohorn)、石墨烯、天然石墨粉末、合成石墨粉末和热膨胀石墨粉末构成的组中的一种以上。

优选以所述非织造的多孔性碳基材的总重量份为基准，所述导电性碳类的含量为5至60重量份。