[发明专利]一种全钒液流电池电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及电池制造及能量存储领域，具体为一种全钒液流电池电极材料的制备方法。首先以碱性木质素为试材，利用碱性木质素结构中酚羟基活性官能团，将羟甲基化碱性木质素部分替代间苯二酚在催化剂作用下与甲醛合成有机凝胶，以该凝胶为前躯体，配制实验所需的前驱体纺丝液，通过静电纺丝的方法，制备出纤维原丝电极材料，利用真空/气氛炉对电极材料前驱体进行预氧化，在惰性气氛中碳化，得到碳纤维电极材料。采用本发明方法制备的钒电池碳纤维电极材料，纤维直径在纳米级别，比表面积相比于传统碳毡类电极材料大大增加，由于后期的预氧化处理，纤维表面的含氧量也有很大的提高，可用于钒电池碳纤维电极材料的制备。

技术领域

本发明涉及电池制造及能量存储领域，具体为一种全钒液流电池电极材料的制备方法。

背景技术

全钒氧化还原液流电池(钒电池)作为一种新型的电化学储能系统，具有高效、安全和环保等优点，作为可再生能源规模化发电储能、电网调峰等应用，一直是近年来电池研究的热点。电极是影响钒电池性能的关键材料之一，其活性物质的选择及改性优化的方法还在进一步研究中，也是制约钒电池进一步产业化发展和应用的主要因素。

以石墨毡为代表的碳材料比表面积大、柔韧性好、便于加工和装配，适合用作钒电池电极材料。但是，石墨毡对不同价态钒离子的电化学催化活性较差，不同批次的商用石墨毡性能存在差异，即便同一批次的石墨毡也无法保证整体性能均一，制约了整个储能系统的输出功率密度和能量效率。虽然通过调节石墨毡的表面物理结构(表面形貌、比表面积、复合催化剂)和化学结构(表面官能团)可以一定程度上改善其电化学性能。但现有的改性方法未考察碳材料本体性质(如石墨化度、微观结构)对电化学活性的影响，且改性实验条件较复杂，现有的负载修饰方法无法保证高效催化剂在碳纤维上的稳定性，即催化剂很有可能在电池充放电过程中被液流冲走。难以满足钒电池电极长期电化学稳定性及高活性的技术要求。

静电纺丝技术为研究比表面积大、电化学活性高的碳纳米纤维电极提供新的尝试。但是，静电纺丝PAN基碳纤维前躯体聚丙烯腈面临消耗量大、碳化收率低、价格昂贵和不可再生的问题。因此，探索新的绿色、环保的碳前躯体，制备高比表面积、高导电性、高电化学活性、结构可控的碳纳米纤维电极成为钒电池发展的重要方向，也是钒电池发展亟待解决的关键问题之一。

木质素是数量上仅次于纤维素的天然高分子，碳含量高，以苯基丙烷为结构单元。但是，由于木质素分子结构中芳香单环构成复杂的立体结构，交联键合强，导致其制备的碳纤维沿轴向取向较差，纤维强度低，即使高温处理，碳纤维表面结晶增长困难，碳化后纤维石墨化度低、导电性差，使其难成为性能优异的电极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备全钒液流电池电极材料的方法，采用本发明制备的钒电池电极材料，碳纤维直径在纳米级别，比表面积相比于传统使用过的电极材料大大增加，由于使用木质素基有机凝胶为碳前躯体，本发明方法制备的钒电池电极材料具有比表面积高、导电性好、电化学活性好、绿色环保的优点。

本发明的技术方案为：

一种全钒液流电池电极材料的制备方法，包含前躯体的制备、纺丝液的制备、静电纺丝、预氧化及碳化、清洗干燥五个步骤，前躯体以碱性木质素为基材，将木质素溶解到碱溶液中，加入甲醛、间苯二酚，在金属盐催化剂的作用下搅拌至形成有机凝胶，经封闭陈化、粉碎，得前躯体有机干凝胶；

其中，碱性木质素的平均分子量为1000～20000，碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水，金属盐催化剂为钴盐、镍盐或铁盐。

所述的全钒液流电池电极材料的制备方法，在前躯体的制备过程中，将木质素溶解到碱溶液中，木质素与碱溶液的质量比例为5：1～50：1，加入甲醛后搅拌均匀，调节pH值为8～14。