[发明专利]一种高活性析氢抑制型碳纳米纤维电极材料及其制备方法和在钒电池中的应用

说明书

本发明公开了一种高活性析氢抑制型碳纳米纤维电极材料及其制备方法和在钒电池中的应用。将具有高析氢过电位功能性的金属盐和/或金属氧化物加入到聚丙烯腈PAN和N,N,‑二甲基甲酰胺混合溶液中，得电纺前驱体溶液；利用静电纺丝技术，将电纺前驱体溶液进行静电纺丝，得到原始复合纤维材料；将获得的原始复合纤维材料用刚玉板压平，置于管式炉中进行预氧化处理和碳化处理，得高活性析氢抑制型碳纳米纤维电极材料。将其应用于钒电池负极材料，可以对负极钒离子的电化学反应起到催化作用，还能有效抑制电极表面的析氢副反应，延长循环寿命，提升电池效率和运行稳定性。本发明方法简单、易于操作、设计灵活，具有极佳的应用前景。

技术领域

本发明涉及电池材料及能源存储技术领域，具体涉及一种高活性析氢抑制型碳纳米纤维电极材料及其在钒电池中的应用。

背景技术

高效利用清洁的可再生能源、减少石油等传统能源的使用，是保证能源长期供应，改善人类生存环境，以及实现绿色可持续发展战略的关键。然而，风能和太阳能等可再生能源的不可控性大大限制了其产业化应用。利用大规模储能技术来存储和释放清洁能源，可以实现能量的稳定输出与高效利用。钒电池具有存储容量大、循环寿命长、设计灵活等诸多优势，成为规模储能的首选技术之一。

多孔电极作为钒电池电化学反应发生的场所，直接影响电池性能。目前，应用最广泛的液流电池电极材料为商业化碳毡，其具有低成本、高导电和良好的稳定性等优势。但其电化学反应活性较差。通过减小碳纤维直径可以有效提升电极的活性面积，进而改善碳纤维电极的电化学反应活性。利用静电纺丝来制备碳纳米纤维是一种简单有效的方式。然而，具有较高比表面积的电极材料对于析氢副反应往往也表现出高活性，这会严重干扰负极V³⁺的还原反应，也会进一步加剧电池的容量衰减。

利用静电纺丝技术，向碳纳米纤维材料引入兼具有高析氢过电位和高催化活性的功能组分，可以有效提升碳纳米纤维电极材料对钒电池负极反应的电化学活性、降低析氢副反应对电池的不利影响，进而有效提升电池性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高活性析氢抑制型电极材料，并将其应用于钒电池的负极材料。通过向电纺碳纳米纤维中引入具有高析氢过电位的金属纳米粒子，制备兼具有析氢抑制作用和高催化活性的钒电池负极材料，在提升电极电化学反应活性的同时，降低析氢副反应对电池循环稳定性和寿命的影响，有效提升电池性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高活性析氢抑制型碳纳米纤维电极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将具有高析氢过电位功能性的金属盐和/或金属氧化物加入到聚丙烯腈和N,N,-二甲基甲酰胺混合溶液中，混合均匀，得电纺前驱体溶液；

2)利用静电纺丝技术，将电纺前驱体溶液进行静电纺丝，得到原始复合纤维材料；

3)将获得的原始复合纤维材料用刚玉板压平，置于管式炉中进行预氧化处理和碳化处理，得高活性析氢抑制型碳纳米纤维电极材料。

进一步的，上述的制备方法，步骤1)，所述金属盐为铅、镉、钛、镓、铋、锡和铟的无机盐或有机盐的一种或二种以上的组合；所述金属氧化物为铅、镉、钛、镓、铋、锡和铟的氧化物的一种或二种以上的组合。

进一步的，上述的制备方法，步骤1)，聚丙烯腈的分子量为6～11万，聚丙烯腈和N,N,-二甲基甲酰胺混合溶液中，聚丙烯腈的质量百分浓度为8％～15％。

进一步的，上述的制备方法，电纺前驱体溶液中，按质量比，金属盐和/或金属氧化物∶聚丙烯腈＝1∶100～1∶5。