CN106876766A - 一种全钒液流电池 - Google Patents

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Abstract

一种全钒液流电池，其正极为石墨纤维材料，负极为碳纤维材料。本发明结合了高结晶度石墨纤维材料抗氧化能力强和低结晶度碳纤维材料电催化活性高的优点，在不提高电池极化的前提下提高了正极的抗氧化能力，从而可提高电池的充电截止电压，进一步可提高电解液的利用率，降低电池单位千瓦时的成本。

Description

一种全钒液流电池
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。
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。电极的电导率直接影响着电池的欧姆内阻；其表面与电解液的亲和作用力会影响到活性物质在电极界面的传输速率；它的电化学催化活性也将直接决定电化学反应的本征反应速率，总之，电极材料影响着电池的电化学极化、浓差极化和欧姆极化，涉及到了电池电化学阻抗的全部组成要素。这些要素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，液流电池中正负极使用相同的碳纤维材料，最常见的是碳毡或石墨毡。石墨毡作为电极，由于石墨毡的电催化活性较低，导致电池的电化学极化较大，电池的电压效率偏低。而碳毡作为电极，尽管获得了较高的电压效率，但由于其抗氧化性不够高，导致其在充电末期容易被氧化而影响电池的库仑效率和寿命，因此，为防止该情况的发生，全钒液流电池的充电截止电压常被设置在1.55V，而此举又会导致电解液利用率偏低。
发明内容
本发明旨在提供一种在不降低全钒液流电池电压效率的前提下提高电解液利用率的解决方案，鉴于全钒液流电池的电化学极化主要由负极极化组成，通过正负极选取不同的电极材料，即正极选择抗氧化能力高的石墨纤维材料，负极则选择电催化活性高的碳纤维材料，可在不提高电池极化的前提下提高正极的抗氧化能力，从而提高电池的充电截止电压，进一步可提高电解液的利用率。
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，其特征在于：正极为高结晶度的石墨纤维材料，如石墨毡或石墨纸，负极为低结晶度的碳纤维材料，如碳毡或碳纸。
所述高结晶度的碳纤维材料为经2000℃及以上温度石墨化处理得到的石墨毡或石墨纸，碳含量为96-99.99％，优选地，为97-99％。
所述2000℃及以上温度为2000-3000℃。
所述石墨纤维材料(002)面的层间距为0.337-0.343nm，优选地，为0.34-0.342nm，石墨化度为20-80％，优选地，为22-50％。
所述碳纤维材料为经1000-1700℃碳化处理的碳毡或碳纸，碳含量为90-95％，优选地，为93-95.5％。
所述低结晶度的碳纤维材料(002)面的层间距为0.344-0.37nm，优选地，为0.344-0.355nm。
所述处理时间为10分钟以上。
碳含量的测定方法没有特别限制，可采用任何测定方法来测定，本发明中使用X射线光电子能谱仪测定。(002)面的层间距及石墨化度则由X射线衍射仪测定。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明结合了高结晶度石墨纤维材料抗氧化能力强和低结晶度碳纤维材料电催化活性高的优点，在不提高电池极化的前提下提高了正极的抗氧化能力，从而可提高电池的充电截止电压，进一步可提高电解液的利用率，降低电池单位千瓦时的成本。
(1)采用本发明的全钒液流电池，与现有的采用石墨毡作为电极的全钒液流电池相比，由于负极选用低结晶度的碳纤维材料，从而降低了电池的电化学极化，有利于提高电池的电压效率。
(2)采用本发明的全钒液流电池，与现有的采用碳毡作为电极的全钒液流电池相比，由于正极选用高结晶度的石墨纤维材料，具有较高的抗氧化能力，可以减少副反应的发生，提高电池的充电截止电压，继而提高电解液的利用率，降低了电池单位千瓦时的成本。
(3)本发明提出的全钒液流电池与现有技术相比，没有增加额外的制备工序，仅通过正负极材料的配置便可实现性能的大幅提升，易于实现商业化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明。
实施例1
采用德国SGL公司生产的石墨毡作为正极，其碳含量为98.4％，(002)面的层间距为0.342nm，石墨化度为23.3％；采用辽阳金谷碳纤维科技有限公司生产的碳毡作为负极，其碳含量为94.5％，(002)面的层间距为0.348nm。
切取尺寸为8cm×6cm×0.5cm的石墨毡和碳毡分别作为正负极组装成单电池，进行充放电性能测试。正极电解液为1.5M VO2+的3M H2SO4溶液60ml，负极电解液为1.5M V3+的3M H2SO4溶液60ml。其在80mA/cm2时的电池效率及充电至1.65V时的电解液利用率如表1所示，从中可以看出，与比较例1中使用碳毡作为正负极的电池相比，本实施例的电压效率无明显降低，电解液利用率提高了20.8％。而与比较例2中使用石墨毡作为正负极的电池相比，本实施例中单电池的电压效率在80mA/cm2的电流密度下从77.4％提高到了89.3％，能量效率和电解液利用率也有大幅提升。
对比例1
采用辽阳金谷碳纤维科技有限公司生产的碳毡作为比较例，该碳毡未经任何处理，切取尺寸为8cm×6cm×0.6cm的碳毡作为正负极组装成单电池，进行充放电性能测试。正极电解液为1.5M VO2+的3M H2SO4溶液60ml，负极电解液为1.5M V3+的3M H2SO4溶液60ml。其在80mA/cm2的电流密度下的电池效率及充电至1.55V时的电解液利用率如表1所示。
对比例2
采用德国SGL公司生产的石墨毡作为比较例，该石墨毡未经任何处理，切取尺寸为8cm×6cm×0.5cm的石墨毡作为正负极组装成单电池，进行充放电性能测试。正极电解液为1.5M VO2+的3M H2SO4溶液60ml，负极电解液为1.5M V3+的3M H2SO4溶液60ml。其在80mA/cm2的电流密度下的电池效率及充电至1.65V时的电解液利用率如表1所示。
实施例2
将辽阳金谷碳纤维科技有限公司生产的碳毡在2400℃真空环境下石墨化处理1h，用作正极，其碳含量为97.6％，(002)面的层间距为0.342nm，石墨化度为23％；采用辽阳金谷碳纤维科技有限公司生产的碳毡作为负极，其碳含量为94.5％，(002)面的层间距为0.348nm。
从表1可以看出，与比较例1中使用碳毡作为正负极的电池相比，本实施例电池的电压效率无明显降低，电解液利用率提高了21.9％。而与比较例2中使用石墨毡作为正负极的电池相比，本实施例中单电池的电压效率、能量效率和电解液利用率均有大幅提升。
实施例3
将辽阳金谷碳纤维科技有限公司生产的碳毡在2800℃真空环境下石墨化处理1h，用作正极，其碳含量为98.7％，(002)面的层间距为0.34nm，石墨化度为46.5％；采用辽阳金谷碳纤维科技有限公司生产的碳毡作为负极，其碳含量为94.5％，(002)面的层间距为0.348nm。
表1 各实施例中单电池和比较例中单电池在80mA/cm2时的电池效率及电解液利用率
从表1可以看出，与对比例1中使用碳毡作为正负极的电池相比，本实施例电池的电压效率无明显降低，电解液利用率提高了20.1％。而与对比例2中使用石墨毡作为正负极的电池相比，本实施例中单电池的电压效率、能量效率和电解液利用率都有大幅提升。

Claims (7)

1.一种全钒液流电池，包括正极和负极，其特征在于：正极为石墨纤维材料，负极为碳纤维材料。
2.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述石墨纤维材料为经2000℃及以上温度石墨化处理得到的石墨毡或石墨纸，碳含量为96-99.99％，优选地，为97-99％。
3.根据权利要求2所述电池，其特征在于：所述2000℃及以上温度为2000-3000℃。
4.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述石墨纤维材料(002)面的层间距为0.337-0.343nm，优选地，为0.34-0.342nm；石墨化度为20-80％，优选地，为22-50％。
5.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述碳纤维材料为经1000-1700℃碳化处理的碳毡或碳纸，碳含量为90-95％，优选地，为93-95.5％。
6.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述低结晶度的碳纤维材料(002)面的层间距为0.344-0.37nm，优选地，为0.344-0.355nm。
7.根据权利要求2、3或5所述电池，其特征在于：所述处理时间为10分钟以上。
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