[发明专利]一种电极材料及其在全钒液流电池中的应用

说明书

一种全钒液流电池用用高活性电极材料，包括碳素基体材料和其表面修饰的三氧化二铝电催化剂。这种电极可以提高电极材料对钒离子氧化还原反应的电催化活性和电化学可逆性，减小电荷转移电阻。本发明提高了全钒液流电池的电压效率和能量效率，从而提高了其工作电流密度，使得相同输出功率的电池重量、体积以及成本均大大降低。

技术领域

本发明涉及化学储能技术中的液流储能电池领域，特别涉及全钒液流电池的电极。

背景技术

全钒液流电池因其具有输出功率和容量相互独立，系统设计灵活；能量效率高，寿命长，运行稳定性和可靠性高，自放电低；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低，安全性高等优点，在规模储能方面具有广阔的发展前景，被认为是解决太阳能、风能等可再生能源发电系统随机性和间歇性非稳态特征的有效方法，在可再生能源发电和智能电网建设中有着重大需求。

目前，制约全钒液流电池商业化的主要限制就是成本问题。要降低其成本，主要解决方法有两个：一为降低各关键材料的成本，如离子交换膜、电解液、电极双极板的成本；一为提高电池运行的工作电流密度。因为工作电流密度的提高可以提高电池的功率密度，即可以用同样的电堆实现更大的功率输出，而且还可以减少储能系统的占地面积和空间，提高其环境适应能力及系统的可移动性，扩展液流储能电池的应用领域。然而，工作电流密度的提高会导致电压效率和能量效率的降低。为了在不降低能量效率的前提下提高电池的工作电流密度，就需要尽可能地减小电池极化，即欧姆极化、电化学极化和浓差极化，降低电压损耗。

电极作为液流储能电池的关键部件之一，其性能对液流储能电池的影响极大。电极的电催化活性直接决定电化学反应的本征反应速率，在极大程度上影响着电池的工作电流密度和能量效率。

目前已公开的专利文献中针对减小液流储能电池电化学极化的方法主要有：

(1)对电极材料如石墨毡、碳纸等进行氧化改性处理，在碳纤维表面修饰含氧官能团，提高电极的电催化活性，减小电池的电化学极化，如专利CN 101465417A和CN101182678A中公开的对石墨毡进行电化学氧化的方法。

(2)对电极材料如石墨毡、碳纸等进行修饰，即在碳纤维表面上担载金属或金属氧化物催化剂，如Ir、Bi、Cu、PbO₂、WO₃、MoO₃、CeO₂等，也能够提高电极的电催化活性，减小电池极化。但现有的金属催化剂只能用于负极，用于正极会被氧化；而金属氧化物催化剂如PbO₂、WO₃、MoO₃等只能用于正极，用于负极的话在负极的工作电位窗口下会被还原成金属单质。因此这类金属催化剂只适合用于一侧电极，当同时用于正负两极时会由于化学稳定性问题，进而影响电池的稳定性。

发明内容

为同时提高正负电极材料电催化活性，同时兼顾电池性能稳定性的问题，本发明提供一种可用于全钒液流电池正负极的高活性电极材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种全钒液流电池用高活性电极材料，包括碳素基体材料和其表面修饰的三氧化二铝电催化剂，可以显著提高碳素基体材料的亲水性，进而可以提高碳素基体材料对钒离子氧化还原反应的电催化活性，减小全钒液流电池的电化学极化，从而提高电池的工作电流密度。

其中，

所述碳素基体材料为碳毡、石墨毡、碳纸和碳布或者它们的结合体；

所述三氧化二铝为α-Al₂O₃。

所述三氧化二铝于基体上的沉积量为高活性电极材料的0.05～5wt％，优选地为0.2～2wt％。

所述三氧化二铝催化剂的颗粒粒径尺寸为1nm～5μm，优选地，为5～500nm。