CN104409738A - 全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极制备方法 - Google Patents

全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池制造及能源存储领域，具体为一种全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极制备方法。首先配制实验所需的纺丝液，然后将导电炭黑与纺丝液混合均匀。通过静电纺丝的方法，制备出纳米纤维膜，然后在空气中对纳米纤维膜进行预氧化，在惰性气氛管式炉中碳化，得到所需要的导电炭黑/纳米碳纤维复合电极。采用本发明的方法制备的全钒液流电池复合电极，碳纤维直径在纳米级别，又由于将其与导电炭黑复合，导致纤维的粗糙度大幅增加，从而使其比表面积比传统使用过的电极材料高两个数量级。同时，高活性的导电炭黑也使得电极的电化学活性得到改善，从而极大地的提高了全钒液流电池的能量效率。

Description

全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极制备方法
技术领域
本发明涉及电池制造及能源存储领域，具体为一种全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法。
背景技术
全钒液流电池是一种利用钒离子不同价态的化学变化进行储能的新型二次电池，其正负极活性物质均为钒的硫酸溶液，电极反应均发生于液相，极大的降低了电化学极化，其额定功率及额定功率均能单独设计，通过更换电解液能达到瞬时充电，100％深度放电也不会对电池有所损害。基于以上优点，其可以广泛应用于风能、太阳能等储能、电网调峰、不间断电源等方面。
目前，全钒液流电池所用的电极材料主要为碳素类的石墨毡或炭毡，该材料具有电阻率低、比表面积大、化学及电化学稳定等优点。但是，全钒液流电池电极反应在其表面的电化学活性较低，所以需要对石墨毡或炭毡进行活化处理来提高其电化学活性，进而提高电池性能。
如今，有很多针对炭毡或石墨毡电极材料的改性方法，其中包括液相或气相化学处理、电化学处理、过渡金属及其氧化物修饰，但是这些方法对于提高碳纤维的电化学活性很有限，而且容易破坏碳纤维的优异物理性能。另外，修饰在碳纤维上的过渡金属及其氧化物不能长期存在其表面，电化学性能不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，解决现有技术中存在的全钒液流电池电极反应在电极材料表面活性低、电极材料的电催化性能不稳定等问题。
本发明的技术方案为：
一种全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，包括以下的步骤和工艺方法：
1)纺丝液的制备：将聚丙烯腈或聚乙二醇以一定的比例加入到二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中，水浴条件下搅拌均匀；
其中，聚丙烯腈的平均分子量为50000～200000，聚乙二醇的平均分子量为2000～10000，聚丙烯腈或聚乙二醇与二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺的质量比为5：95到20：80，水浴温度为40～80℃；
2)将导电炭黑按比例加入到1)所述的纺丝液中，通过搅拌或者超声的方式使其分散均匀；
其中，所加入的导电炭黑与溶液中的聚丙烯腈或聚乙二醇的质量比为1：100到10：1；
3)将2)得到的复合纺丝液利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为0.01～5毫米；
4)将3)得到的纳米纤维膜经过气氛炉进行预氧化及碳化；
其中，预氧化温度为200～300℃，保温时间为0.5～4小时；碳化温度为600～1500℃，保温时间为0.5～10小时，惰性保护气氛为氮气或者氩气；
5)将4)所得的电极材料直接用去离子水清洗或超声清洗；
其中，超声时间为5～30分钟。
所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，步骤1)中，聚丙烯腈或聚乙二醇在二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中的搅拌时间为0.5～24小时。
所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，步骤2)中，导电炭黑在复合纺丝液中的搅拌时间为1～24小时，超声时间为0.5～10小时。
所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，步骤3)中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为0.3～2.0毫米，注射器容量为5～500毫升，纺丝液流速为0.2～5毫升/小时，转辊的转速为100～1000转/分钟，针头与转辊之间的电压为10～50千伏，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为10～50厘米，纺丝温度为20～50℃，纺丝湿度为20～70％RH。
所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，转辊上纳米纤维膜的收集板为炭纸、石墨纸、炭布、铝箔、锡箔、氧化铝箔中的一种，炭纸、石墨纸的厚度为30～300微米，炭布的厚度100～1000微米，铝箔、锡箔、氧化铝箔的厚度为10～100微米。
所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，步骤4)中，预氧化处理的升温速度为2～25℃/分钟，碳化处理的升温速度为2～25℃/分钟，惰性保护气氛中的气体流量为20～100毫升/分钟。
所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，步骤5)清洗之后的电极材料，在真空干燥箱或鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为50～100℃，保温时间为12～48小时，烘干之后的电极材料厚度为0.01～3毫米。
所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，最终的电极材料是由纳米碳纤维缠绕而成的厚度可控的膜状或块体材料，或是含有导电炭黑的纳米碳纤维缠绕而成的厚度可控的膜状或块体材料；该电极材料中，导电炭黑占2～50wt.％。
本发明的设计思想是：
本发明首先配制实验所需的纺丝液，再将导电炭黑与纺丝液混合均匀，通过静电纺丝的方法，制备出所需要的纳米纤维膜。然后在空气中对纳米纤维膜进行预氧化(温度200～300℃)，在惰性气氛管式炉中碳化(温度600～1500℃)，得到所需要的导电炭黑/纳米碳纤维复合电极。对所得到的电极材料进行清洗、烘干后，即可对其进行相关电化学性能表征和充放电性能测试。采用本发明的方法制备的全钒液流电池复合电极，碳纤维直径在纳米级别，又由于将其与导电炭黑复合，导致纤维的粗糙度大幅增加，从而使其比表面积比传统使用过的电极材料高两个数量级。同时，高活性的导电炭黑也使得电极的电化学活性得到改善，从而极大地的提高了全钒液流电池的能量效率。另外，通过控制静电纺丝工艺参数和碳化温度及时间，可以有效控制电极材料的形貌等，该方法为一种制备全钒液流电池用复合电极的高效实用的技术。
本发明的优点和有益效果如下：
1.本发明提出的制备全钒液流电池用复合电极材料的方法能够制备出由纳米碳纤维编织而成的电极材料，使得电极的比表面积大大提高。又由于与导电炭黑复合使纤维的粗糙度大幅增加，进一步增大了电极的比表面积，从而加大了电极反应面积。
2.本发明提出的制备方法，可以通过静电纺丝技术将高电催化活性的导电炭黑纺到纳米碳纤维的内部，在电池运转过程中，导电炭黑能够稳定的存在于电极中，既提高了电极的电化学活性，又可以避免导电炭黑对钒溶液的污染。
3.本发明所用到的静电纺丝设备简单，实验条件易于满足，而且通过控制实验参数等可以很好的控制纤维的形貌、成分、结构等。
4.本发明方法价格低廉、易于操作，可以制备出高电化学活性的全钒液流电池用复合电极材料。
5.本发明的全钒液流电池电极反应在电极材料表面活性高，电极材料的电催化性能稳定。
具体实施方式
在本发明的具体实施方式中，全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法包括以下步骤和工艺方法：
1)纺丝液的制备：将聚丙烯腈或聚乙二醇以一定的比例加入到二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中，水浴条件下搅拌均匀；
其中，聚丙烯腈的平均分子量为50000～200000，聚乙二醇的平均分子量为2000～10000，聚丙烯腈或聚乙二醇与二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺的质量比为5：95到20：80(优选为10：90到15：85)，水浴温度为40～80℃，聚丙烯腈或聚乙二醇在二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中的搅拌时间为0.5～24小时(优选为3～6小时)。
2)将导电炭黑按比例加入到步骤1)所述的纺丝液中，通过搅拌或者超声的方式使其分散均匀。导电炭黑在复合纺丝液中的搅拌时间为1～24小时(优选为6～18小时)，超声时间为0.5～10小时(优选为2～6小时)；
其中，所加入的导电炭黑与溶液中的聚丙烯腈或聚乙二醇的质量比为1：100到10：1(优选为1：50到1：1)。
3)将步骤2)得到的复合纺丝液利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为0.01～5毫米(优选为0.5～5毫米)；
其中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为0.3～2.0毫米，注射器容量为5～500毫升，纺丝液流速为0.2～5毫升/小时，转辊的转速为100～1000转/分钟，针头与转辊之间的电压为10～50千伏，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为10～50厘米，纺丝温度为20～50℃，纺丝湿度为20～70％RH(RelativeHumidity)。转辊上纳米纤维膜的收集板为炭纸、石墨纸、炭布、铝箔、锡箔、氧化铝箔中的一种，炭纸、石墨纸的厚度为30～300微米，炭布的厚度100～1000微米，铝箔、锡箔、氧化铝箔的厚度为10～100微米。
4)将3)得到的纳米纤维膜经过气氛炉进行预氧化及碳化；
其中，预氧化温度为200～300℃，升温速度为2～25℃/分钟，保温时间为0.5～4小时；碳化温度为600～1500℃，升温速度为2～25℃/分钟，保温时间为0.5～10小时，惰性保护气氛为氮气或者氩气，气体流量为20～100毫升/分钟。
5)将4)所得的电极材料直接用去离子水清洗或超声清洗；
其中，超声时间为5～30分钟。
6)将5)清洗之后的电极材料，在真空干燥箱或鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为50～100℃，保温时间为12～48小时，烘干之后的电极材料厚度为0.01～3毫米。
最终的电极材料是由纳米碳纤维缠绕而成的厚度可控的膜状或块体材料，或是含有导电炭黑的纳米碳纤维缠绕而成的厚度可控的膜状或块体材料。该电极材料中，导电炭黑占2～50wt.％。
本发明所用实验材料(如：聚丙烯腈、聚乙二烯或导电炭黑等)均为市售，无需后续纯化处理，气体均为高纯气体(纯度≥99.999％)。
下面通过实施例对本发明进一步详细描述。
实施例1
1)质量分数为10％的聚丙烯腈在搅拌条件下加入到二甲基甲酰胺中，水浴温度为60℃下搅拌2小时得到纺丝液，聚丙烯腈的平均分子量为150000。
2)将导电炭黑加入到纺丝液中，所加入导电炭黑与溶液中的聚丙烯腈的质量比为1：50，搅拌12小时后，再超声6小时，得到均匀的复合纺丝液。
3)将经过步骤2)得到的复合纺丝液加入到5ml的注射器中，利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为0.5毫米；
其中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为0.3毫米，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为12厘米，针头与转辊之间的纺丝电压为25kV，收集板为200微米厚的炭纸，转辊的转速为200转/分钟，纺丝液流速为0.5毫升/小时，纺丝温度为40℃，湿度为50％RH。
4)将经过步骤3)得到的纳米纤维膜放到管式炉中预氧化和碳化，预氧化温度为250℃，升温速度为20℃/分钟，保温时间为2小时，气氛为空气；碳化温度为800℃，升温速度为10℃/分钟，保温时间为4小时，惰性保护气氛为氮气，气体流量为60毫升/分钟。
5)将经过步骤4)得到的碳化后的电极材料用去离子水清洗3～4次，然后置于100℃的真空干燥箱中，保温时间为24小时。烘干之后的电极材料厚度为0.3毫米，最终得到的电极材料是由导电炭黑修饰的纳米碳纤维缠结而成的块体。该电极材料中，导电炭黑占3.7wt.％。
本实施例中，利用静电纺丝技术制备出的全钒液流电池用复合电极材料的比表面积为315.5m2/g，比碳毡电极的比表面积(2.5m2/g)高2个数量级。同时，利用静电纺丝将导电炭黑这种具有电催化活性的物质纺到纳米碳纤维内部，不仅提高了电极的电催化活性，而且使催化剂很好的固定在电极基体上，保证了电极材料的稳定性。在电流密度为100mA/cm2的恒流充放电测试条件下，应用该复合电极的电池的能量效率由未使用的78.2％提高到81.5％。
实施例2
1)质量分数为10％的聚乙二醇在搅拌条件下加入到二甲基乙酰胺中，水浴温度为40℃下搅拌3小时得到纺丝液，聚乙二醇的平均分子量为8000。
2)将导电炭黑加入到纺丝液中，所加入导电炭黑与溶液中的聚乙二醇的质量比为1：50，搅拌12小时后，再超声6小时，得到均匀的复合纺丝液。
3)将经过步骤2)得到的复合纺丝液加入到5ml的注射器中，利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为0.5毫米；
其中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为0.6毫米，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为15厘米，针头与转辊之间的纺丝电压为25kV，收集板为200微米厚的炭纸，转辊的转速为200转/分钟，纺丝液流速为0.5毫升/小时，纺丝温度为30℃，湿度为40％RH。
4)将经过步骤3)得到的纳米纤维膜放到管式炉中预氧化和碳化，预氧化温度为250℃，升温速度为20℃/分钟，保温时间为2小时，气氛为空气；碳化温度为800℃，升温速度为10℃/分钟，保温时间为4小时，惰性保护气氛为氮气，气体流量为60毫升/分钟。
5)将经过步骤4)得到的碳化后的电极材料用去离子水清洗3～4次，然后置于100℃的真空干燥箱中，保温时间为24小时。烘干之后的电极材料厚度为0.3毫米，最终得到的电极材料是由导电炭黑修饰的纳米碳纤维缠结而成的块体。该电极材料中，导电炭黑占3.5wt.％。
本实施例中，利用静电纺丝技术制备出的全钒液流电池用复合电极材料的比表面积为268.6m2/g，比碳毡电极的比表面积(2.5m2/g)高2个数量级。同时，利用静电纺丝将导电炭黑这种具有电催化活性的物质纺到纳米碳纤维内部，不仅提高了电极的电催化活性，而且使催化剂很好的固定在电极基体上，保证了电极材料的稳定性。在电流密度为100mA/cm2的恒流充放电测试条件下，应用该复合电极的电池的能量效率由未使用的78.2％提高到79.9％。
实施例3
1)质量分数为13％的聚丙烯腈在搅拌条件下加入到二甲基甲酰胺中，水浴温度为80℃下搅拌2小时得到纺丝液，聚丙烯腈的平均分子量为120000。
2)将导电炭黑加入到纺丝液中，所加入导电炭黑与溶液中的聚丙烯腈的质量比为1：20，搅拌10小时后，再超声2小时，得到均匀的复合纺丝液。
3)将经过步骤2)得到的复合纺丝液加入到10ml的注射器中，利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为1.0毫米；
其中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为0.9毫米，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为15厘米，针头与转辊之间的纺丝电压为30kV，收集板为200微米厚的炭纸，转辊的转速为500转/分钟，纺丝液流速为1.0毫升/小时，纺丝温度为50℃，湿度为50％RH。
4)将经过步骤3)得到的纳米纤维膜放到管式炉中预氧化和碳化，预氧化温度为300℃，升温速度为20℃/分钟，保温时间为4小时，气氛为空气；碳化温度为900℃，升温速度为10℃/分钟，保温时间为4小时，惰性保护气氛为氮气，气体流量为80毫升/分钟。
5)将经过步骤4)得到的碳化后的电极材料用去离子水清洗3～4次，然后置于80℃的真空干燥箱中，保温时间为24小时。烘干之后的电极材料厚度为0.6毫米，最终得到的电极材料是由导电炭黑修饰的纳米碳纤维缠结而成的块体。该电极材料中，导电炭黑占8.8wt.％。
本实施例中，利用静电纺丝技术制备出的全钒液流电池用复合电极材料的比表面积为336.6m2/g，比碳毡电极的比表面积(2.5m2/g)高2个数量级。同时，利用静电纺丝将导电炭黑这种具有电催化活性的物质纺到纳米碳纤维内部，不仅提高了电极的电催化活性，而且使催化剂很好的固定在电极基体上，保证了电极材料的稳定性。在电流密度为100mA/cm2的恒流充放电测试条件下，应用该复合电极的电池的能量效率由未使用的78.2％提高到82.3％。
实施例4
1)质量分数为14％的聚丙烯腈在搅拌条件下加入到二甲基甲酰胺中，水浴温度为80℃下搅拌4小时得到纺丝液，聚丙烯腈的平均分子量为150000。
2)将导电炭黑加入到纺丝液中，所加入导电炭黑与溶液中的聚丙烯腈的质量比为1：10，搅拌18小时后，再超声2小时，得到均匀的复合纺丝液。
3)将经过步骤2)得到的复合纺丝液加入到20ml的注射器中，利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为2.0毫米；
其中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为0.9毫米，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为16厘米，针头与转辊之间的纺丝电压为30kV，收集板为200微米厚的炭布，转辊的转速为800转/分钟，纺丝液流速为1.2毫升/小时，纺丝温度为40℃，湿度为50％RH。
4)将经过步骤3)得到的纳米纤维膜放到管式炉中预氧化和碳化，预氧化温度为270℃，升温速度为20℃/分钟，保温时间为3小时，气氛为空气；碳化温度为1000℃，升温速度为10℃/分钟，保温时间为3小时，惰性保护气氛为氮气，气体流量为80毫升/分钟。
5)将经过步骤4)得到的碳化后的电极材料用去离子水清洗3～4次，然后置于100℃的真空干燥箱中，保温时间为24小时。烘干之后的电极材料厚度为1.0毫米，最终得到的电极材料是由导电炭黑修饰的纳米碳纤维缠结而成的块体。该电极材料中，导电炭黑占15.3wt.％。
本实施例中，利用静电纺丝技术制备出的全钒液流电池用复合电极材料的比表面积为352.6m2/g，比碳毡电极的比表面积(2.5m2/g)高2个数量级。同时，利用静电纺丝将导电炭黑这种具有电催化活性的物质纺到纳米碳纤维内部，不仅提高了电极的电催化活性，而且使催化剂很好的固定在电极基体上，保证了电极材料的稳定性。在电流密度为100mA/cm2的恒流充放电测试条件下，应用该复合电极的电池的能量效率由未使用的78.2％提高到83.2％。
实施例5
1)质量分数为15％的聚丙烯腈在搅拌条件下加入到二甲基甲酰胺中，水浴温度为80℃下搅拌4小时得到纺丝液，聚丙烯腈的平均分子量为100000。
2)将导电炭黑加入到纺丝液中，所加入导电炭黑与溶液中的聚丙烯腈的质量比为1：5，搅拌18小时后，再超声2小时，得到均匀的复合纺丝液。
3)将经过步骤2)得到的复合纺丝液加入到30ml的注射器中，利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为2.5毫米；
其中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为1.0毫米，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为15厘米，针头与转辊之间的纺丝电压为30kV，收集板为30微米厚的铝箔，转辊的转速为1000转/分钟，纺丝液流速为1.4毫升/小时，纺丝温度为40℃，湿度为55％RH。
4)将经过步骤3)得到的纳米纤维膜放到管式炉中预氧化和碳化，预氧化温度为300℃，升温速度为10℃/分钟，保温时间为4小时，气氛为空气；碳化温度为800℃，升温速度为10℃/分钟，保温时间为4小时，惰性保护气氛为氮气，气体流量为100毫升/分钟。
5)将经过步骤4)得到的碳化后的电极材料用去离子水清洗3～4次，然后置于100℃的真空干燥箱中，保温时间为48小时。烘干之后的电极材料厚度为1.2毫米，最终得到的电极材料是由导电炭黑修饰的纳米碳纤维缠结而成的块体。该电极材料中，导电炭黑占27.3wt.％。
本实施例中，利用静电纺丝技术制备出的全钒液流电池用复合电极材料的比表面积为376.6m2/g，比碳毡电极的比表面积(2.5m2/g)高2个数量级。同时，利用静电纺丝将导电炭黑这种具有电催化活性的物质纺到纳米碳纤维内部，不仅提高了电极的电催化活性，而且使催化剂很好的固定在电极基体上，保证了电极材料的稳定性。在电流密度为100mA/cm2的恒流充放电测试条件下，应用该复合电极的电池的能量效率由未使用的78.2％提高到84.1％。
实施例6
1)质量分数为16％的聚丙烯腈在搅拌条件下加入到二甲基甲酰胺中，水浴温度为80℃下搅拌4小时得到纺丝液，聚丙烯腈的平均分子量为110000。
2)将导电炭黑加入到纺丝液中，所加入导电炭黑与溶液中的聚丙烯腈的质量比为1：2，搅拌18小时后，再超声2小时，得到均匀的复合纺丝液。
3)将经过步骤2)得到的复合纺丝液加入到40ml的注射器中，利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为3.0毫米；
其中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为1.2毫米，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为16厘米，它们之间的纺丝电压为30kV，收集板为30微米厚的锡箔，转辊的转速为1000转/分钟，纺丝液流速为1.6毫升/小时，纺丝温度为40℃，湿度为60％RH。
4)将经过步骤3)得到的纳米纤维膜放到管式炉中预氧化和碳化，预氧化温度为290℃，升温速度为10℃/分钟，保温时间为3小时，气氛为空气；碳化温度为1000℃，升温速度为10℃/分钟，保温时间为3小时，惰性保护气氛为氮气，气体流量为100毫升/分钟。
5)将经过步骤4)得到的碳化后的电极材料用去离子水清洗3～4次，然后置于100℃的真空干燥箱中，保温时间为36小时。烘干之后的电极材料厚度为1.5毫米，最终得到的电极材料是由导电炭黑修饰的纳米碳纤维缠结而成的块体。该电极材料中，导电炭黑占43.9wt.％。
本实施例中，利用静电纺丝技术制备出的全钒液流电池用复合电极材料的比表面积为395.3m2/g，比碳毡电极的比表面积(2.5m2/g)高2个数量级。同时，利用静电纺丝将导电炭黑这种具有电催化活性的物质纺到纳米碳纤维内部，不仅提高了电极的电催化活性，而且使催化剂很好的固定在电极基体上，保证了电极材料的稳定性。在电流密度为100mA/cm2的恒流充放电测试条件下，应用该复合电极的电池的能量效率由未使用的78.2％提高到84.9％。
采用本发明的方法制备的全钒液流电池复合电极，碳纤维直径在纳米级别，又由于将其与导电炭黑复合，导致纤维的粗糙度大幅增加，从而使其比表面积比传统使用过的电极材料高两个数量级。同时，高活性的导电炭黑也使得电极的电化学活性得到改善，从而极大地的提高了全钒液流电池的能量效率。

Claims (8)

1.一种全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下的步骤和工艺方法：
1)纺丝液的制备：将聚丙烯腈或聚乙二醇以一定的比例加入到二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中，水浴条件下搅拌均匀；
其中，聚丙烯腈的平均分子量为50000～200000，聚乙二醇的平均分子量为2000～10000，聚丙烯腈或聚乙二醇与二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺的质量比为5：95到20：80，水浴温度为40～80℃；
2)将导电炭黑按比例加入到1)所述的纺丝液中，通过搅拌或者超声的方式使其分散均匀；
其中，所加入的导电炭黑与溶液中的聚丙烯腈或聚乙二醇的质量比为1：100到10：1；
3)将2)得到的复合纺丝液利用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，纳米纤维膜的厚度为0.01～5毫米；
4)将3)得到的纳米纤维膜经过气氛炉进行预氧化及碳化；
其中，预氧化温度为200～300℃，保温时间为0.5～4小时；碳化温度为600～1500℃，保温时间为0.5～10小时，惰性保护气氛为氮气或者氩气；
5)将4)所得的电极材料直接用去离子水清洗或超声清洗；
其中，超声时间为5～30分钟。
2.根据权利要求1所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，其特征在于，步骤1)中，聚丙烯腈或聚乙二醇在二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺中的搅拌时间为0.5～24小时。
3.根据权利要求1所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，其特征在于，步骤2)中，导电炭黑在复合纺丝液中的搅拌时间为1～24小时，超声时间为0.5～10小时。
4.根据权利要求1所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，其特征在于，步骤3)中，静电纺丝工艺参数为：针头孔径为0.3～2.0毫米，注射器容量为5～500毫升，纺丝液流速为0.2～5毫升/小时，转辊的转速为100～1000转/分钟，针头与转辊之间的电压为10～50千伏，针头与转辊上纳米纤维膜收集板之间的距离为10～50厘米，纺丝温度为20～50℃，纺丝湿度为20～70％RH。
5.根据权利要求4所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，其特征在于，转辊上纳米纤维膜的收集板为炭纸、石墨纸、炭布、铝箔、锡箔、氧化铝箔中的一种，炭纸、石墨纸的厚度为30～300微米，炭布的厚度100～1000微米，铝箔、锡箔、氧化铝箔的厚度为10～100微米。
6.根据权利要求1所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，其特征在于，步骤4)中，预氧化处理的升温速度为2～25℃/分钟，碳化处理的升温速度为2～25℃/分钟，惰性保护气氛中的气体流量为20～100毫升/分钟。
7.根据权利要求1所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，其特征在于，步骤5)清洗之后的电极材料，在真空干燥箱或鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为50～100℃，保温时间为12～48小时，烘干之后的电极材料厚度为0.01～3毫米。
8.根据权利要求1所述的全钒液流电池用导电炭黑/纳米碳纤维复合电极的制备方法，其特征在于，最终的电极材料是由纳米碳纤维缠绕而成的厚度可控的膜状或块体材料，或是含有导电炭黑的纳米碳纤维缠绕而成的厚度可控的膜状或块体材料；该电极材料中，导电炭黑占2～50wt.％。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105336921A (zh) * 2015-09-28 2016-02-17 扬州大学 一种碳纳米纤维的制备方法及其应用
CN105970309A (zh) * 2016-06-21 2016-09-28 闽江学院 一种纳米纤维纱线及其制备方法
CN106012304A (zh) * 2016-06-21 2016-10-12 闽江学院 一种纳米纤维管膜以其制备方法
CN107785587A (zh) * 2016-08-26 2018-03-09 Jntg有限公司 提高功能性的钒液流电池用电极及采用它的钒液流电池
CN110127658A (zh) * 2019-07-01 2019-08-16 青海民族大学 一种超级电容器用介孔碳纳米复合电极材料及其制备方法
CN111066186A (zh) * 2017-09-07 2020-04-24 东洋纺株式会社 氧化还原液流电池用碳电极材料及其制造方法
CN114530607A (zh) * 2021-12-17 2022-05-24 深圳航天科技创新研究院 一种燃料电池用催化剂及其制备方法和热处理设备
CN115911411A (zh) * 2022-11-24 2023-04-04 寰泰储能科技股份有限公司 含活性纳米碳纤维层的全钒液流电池电极及其制备方法
CN117854946A (zh) * 2023-03-10 2024-04-09 周海国 一种碳气凝胶超级电容器电极的制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102082276A (zh) * 2010-12-08 2011-06-01 深圳市图门电子技术有限公司 复合塑料导电电极制造方法及用该方法制成的导电电极
CN102324492A (zh) * 2011-05-25 2012-01-18 深圳市金钒能源科技有限公司 复合导电电极及其制造方法
CN102522568A (zh) * 2011-12-10 2012-06-27 中国科学院金属研究所 一种制备全钒液流电池用电极材料的方法
WO2014125331A1 (en) * 2013-02-14 2014-08-21 Hydraredox Technologies Inc. ALL-VANADIUM REDOX FLOW BATTERY SYSTEM EMPLOYING A V+4/V+5 REDOX COUPLE AND AN ANCILLARY Ce+3/Ce+4 REDOX COUPLE IN THE POSITIVE ELECTROLYTE SOLUTION

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102082276A (zh) * 2010-12-08 2011-06-01 深圳市图门电子技术有限公司 复合塑料导电电极制造方法及用该方法制成的导电电极
CN102324492A (zh) * 2011-05-25 2012-01-18 深圳市金钒能源科技有限公司 复合导电电极及其制造方法
CN102522568A (zh) * 2011-12-10 2012-06-27 中国科学院金属研究所 一种制备全钒液流电池用电极材料的方法
WO2014125331A1 (en) * 2013-02-14 2014-08-21 Hydraredox Technologies Inc. ALL-VANADIUM REDOX FLOW BATTERY SYSTEM EMPLOYING A V+4/V+5 REDOX COUPLE AND AN ANCILLARY Ce+3/Ce+4 REDOX COUPLE IN THE POSITIVE ELECTROLYTE SOLUTION

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HYUNG SUN KIM: "Electrochemical Properties of Graphite-based Electrodes for Redox Flow Batteries", 《BULLETIN OF THE KOREAN CHEMICAL SOCIETY》 *
张远明，等.: "全钒液流电池用石墨-乙炔黑复合电极的研究", 《无机材料学报》 *
张鹏雷等: "钒流电池用碳素电极材料的研究进展", 《电源技术》 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105336921A (zh) * 2015-09-28 2016-02-17 扬州大学 一种碳纳米纤维的制备方法及其应用
CN105970309A (zh) * 2016-06-21 2016-09-28 闽江学院 一种纳米纤维纱线及其制备方法
CN106012304A (zh) * 2016-06-21 2016-10-12 闽江学院 一种纳米纤维管膜以其制备方法
CN105970309B (zh) * 2016-06-21 2018-07-10 闽江学院 一种纳米纤维纱线及其制备方法
CN106012304B (zh) * 2016-06-21 2019-04-30 闽江学院 一种纳米纤维管膜及其制备方法
CN107785587B (zh) * 2016-08-26 2021-09-03 Jntg有限公司 提高功能性的钒液流电池用电极及采用它的钒液流电池
CN107785587A (zh) * 2016-08-26 2018-03-09 Jntg有限公司 提高功能性的钒液流电池用电极及采用它的钒液流电池
CN111066186A (zh) * 2017-09-07 2020-04-24 东洋纺株式会社 氧化还原液流电池用碳电极材料及其制造方法
CN110127658A (zh) * 2019-07-01 2019-08-16 青海民族大学 一种超级电容器用介孔碳纳米复合电极材料及其制备方法
CN114530607A (zh) * 2021-12-17 2022-05-24 深圳航天科技创新研究院 一种燃料电池用催化剂及其制备方法和热处理设备
CN114530607B (zh) * 2021-12-17 2023-07-11 深圳航天科技创新研究院 一种燃料电池用催化剂及其制备方法和热处理设备
CN115911411A (zh) * 2022-11-24 2023-04-04 寰泰储能科技股份有限公司 含活性纳米碳纤维层的全钒液流电池电极及其制备方法
CN115911411B (zh) * 2022-11-24 2023-09-01 寰泰储能科技股份有限公司 含活性纳米碳纤维层的全钒液流电池电极及其制备方法
CN117854946A (zh) * 2023-03-10 2024-04-09 周海国 一种碳气凝胶超级电容器电极的制备方法

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