[发明专利]一种氮掺杂多孔碳毡材料及其在溴基液流电池中的应用

说明书

本发明涉及一种溴基液流电池用正极材料，所述正极材料为氮掺杂多孔碳毡，多孔碳毡的碳纤维中氮的掺杂量为2wt％‑8wt％；于构成碳毡的碳纤维上具有多孔结构，孔径为0.1nm‑30nm，孔体积为0.001‑0.008cm3/g。所述多孔结构提高了碳毡的孔体积、比表面积和亲水性，可以加强电解液浸润性和对溴的吸附能力，提供更多的反应活性位点，从而可以提高溴电对的反应动力学，抑制溴扩散。最终实现降低电池极化，提高电池效率、容量和寿命的目的。该类材料具有制备方法简单、导电性好、电化学极化小、化学稳定性好等优点，该材料作为电池正极组装的溴基液流电池具有较高的电压效率、能量效率和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及液流电池电极材料领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳毡材料在溴基电池中的应用。

技术背景

为了实现人们对能源以及环境的双重要求，大力开发和利用风能、太阳能等可再生能源成为一种非常有效的途径来满足人们的要求。然而这些能源具有不连续、不稳定性，难以直接并网，导致弃风弃光率高，资源浪费。因此，需要与高效的储能技术联用来保证供电的平滑输出。储能技术是通过能量的储存与释放来提高可再生能源利用率和稳定性，是开发利用新能源的关键技术。液流电池是一种适合于大规模储能的电化学储能技术，其特点是能量储存在电解液中，实现功率与能量相互独立。

溴氧化还原电对由于具有电极电势高、溶解度高、来源丰富及价格低的优势，而常被用作电池的正极活性电对。选择合适的负极电对与之配对便可组成一种电池。这类以溴电对作为正极活性电对的电池被称为溴基液流电池，例如锌溴液流电池、多硫化钠/溴液流电池、氢溴液流电池及钒溴液流电池等。近来，多种新型溴基液流电池被提出，如醌/溴电池、锂/溴电池和镁/溴电池等。然而，溴基液流电池也面临着一些共性问题，这些问题可分为以下三个方面：(1)Br₂强腐蚀性和氧化性对电池各部件材料的化学稳定性提出较高要求；(2)Br₂的强挥发性以及扩散性将降低电池的安全性及寿命。将降低Br₂挥发至环境中，一方面污染环境，可能引发安全性问题；另一方面导致电池活性物质减少，降低电池的容量、效率及使用寿命。而Br₂扩散至负极，常与负极活性物质发生化学反应，导致电池发生自放电，电池效率下降。(3)Br₂/Br^-电对的反应活性相对较低，导致电池电化学极化较大，电池功率密度较低，增加了电池的成本。

发明内容

针对以上问题，本发明通过对溴基液流电池正极材料的修饰，提高了Br₂/Br^-电对的反应活性，增加对溴的吸附作用，抑制溴的扩散，达到降低电池极化，减少电池自放电的目的。该方法操作简单，所制备材料具有导电性好、电解液渗透性强、化学稳定性好的特点，所制备材料组装的溴基液流电池具有较高的电压效率、能量效率、循环稳定性和功率密度。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种溴基液流电池用正极材料，所述正极材料为氮掺杂多孔碳毡，多孔碳毡的碳纤维中氮的掺杂量为2wt％-8wt％；于构成碳毡的碳纤维上具有多孔结构，孔径为0.1nm-30nm，孔体积为0.001-0.008cm³/g。

所述氮掺杂多孔碳毡材料中的“多孔”不是指碳毡纤维间交织构成的三维孔道结构，而是指碳毡的碳纤维上具有的孔所构成的多孔结构。

基于上述方案，优选地，多孔碳毡的碳纤维中氮的掺杂量为4wt％-6wt％。

基于上述方案，优选地，碳毡的孔体积为0.001-0.01cm³/g。

另一方面，本发明提供了上述氮掺杂多孔碳毡材料的方法，其制备过程如下：

(1)将多巴胺溶解于水中，搅拌后得到均匀的多巴胺水溶液，多巴胺水溶液的浓度为100-500mg/100mL水；