CN111682225A - 一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，属于绿色能源材料领域，将聚丙烯腈基石墨毡用去离子水超声清洗干净，在烘箱中烘干，然后将石墨毡浸泡在钛酸丁酯的微碱性水溶液中，超声波震荡，随后静置，待形成凝胶后，取出石墨毡，在真空炉中煅烧，空冷后，用去离子水清洗，干燥后，得到亲水性强、比表面大、电化学活性高的钒电池钛掺杂石墨毡改性电极材料。本发明的钒电池石墨毡电极材料经过钛掺杂改性以后，钛掺杂量为1.3～2.8％、吸水率提高325～413％、比表面积提高43～65％、在230mA/cm2的电流密度下，能量效率提高到68～81％。

Description

一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法
技术领域
本发明涉及一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，属于绿色能源材料领域。
背景技术
钒电池是一种高效、洁净和大容量的能源，符合国家发展改革委员会提出的“要研究高效节能、解决储能问题”的目标，因此，钒电池的开发目前已引起各国的重视，并将在自然资源日益枯竭的未来起到更重要的作用。
然而传统的钒电池电极材料与电解液的润湿性差，过电位较高，导致钒电池在充放电过程中存在活性点位较少、催化活性较低、电解液中五氧化二钒容易析出堵塞流道等问题。
因此，研究和开发价格低廉，与电解液润湿性好、活性点位较多、催化活性高、稳定性好的改性石墨毡电极具有非常重要的意义。
发明内容
针对上面提到的技术问题，本发明提供一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，以聚丙烯腈基石墨毡为钒电池的基本电极材料，将钛酸丁酯溶胶超声分散在石墨毡中，静置形成凝胶后，取出石墨毡，在真空炉中煅烧，空冷后，用去离子水清洗干净，干燥后得到亲水性强、比表面大、电化学活性高的钒电池钛掺杂石墨毡改性电极材料。
本发明的技术方案如下：
将聚丙烯腈基石墨毡用去离子水超声清洗干净，在烘箱中烘干，将聚丙烯腈基石墨毡用去离子水超声清洗干净，在烘箱中烘干，然后将石墨毡浸泡在钛酸丁酯的微碱性水溶液中，超声波震荡，随后静置，待形成凝胶后，取出石墨毡，在真空炉中煅烧，空冷后，用去离子水清洗，干燥后，得到电化学活性高的钒电池钛掺杂石墨毡改性电极材料。
所述的一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈基石墨毡裁剪为5cm×10cm尺寸大小，用去离子水冲洗一遍，然后浸泡在去离子水中超声清洗15～30分钟；
(2)取出聚丙烯腈基石墨毡，放在45℃的烘箱中烘干；
(3)用去离子水和钛酸丁酯试剂配制摩尔浓度为0.2～0.5mol/L的钛酸丁酯溶液A，搅拌均匀；
(4)用去离子水和片状NaOH试剂配制0.01mol/L的NaOH溶液B；
(5)将NaOH溶液B逐滴滴加到钛酸丁酯溶液A中，边加边超声震荡，调节pH值在7.1～7.5之间，得到微碱性的钛酸丁酯溶液C；
(6)将烘干的聚丙烯腈基石墨毡浸入溶液C中，在30～45℃条件下继续超声震荡5～10分钟，然后静置30～60分钟，钛酸丁酯溶液C变成溶胶D；
(7)待溶胶D变为清澈透明的黄色凝胶后，取出聚丙烯腈基石墨毡，放入真空炉中，在120℃条件下预热处理5～10分钟，随后在550～700℃条件下煅烧2～5小时，空冷，清洗，干燥后，得到用于钒电池的钛掺杂改性石墨毡电极材料。
所述的钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其优选方案为，步骤(7)中的清洗过程是为了除去残留的钠离子等无机离子。
所述的钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其优选方案为，改性后的石墨毡上掺杂了钛元素，质量掺杂量为1.3～2.8％。
所述的钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其优选方案为，改性后的石墨毡电极材料吸水率比改性前提高325～413％。
所述的钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其优选方案为，改性后的石墨毡用做钒电池电极后的比表面积，比没改性的石墨毡电极提高了43～65％。
所述的钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其优选方案为，在230mA/cm2的电流密度下，改性后的石墨毡用做钒电池电极后的能量效率，由没改性的石墨毡电极能量效率的13～15％提高到68～81％。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过对聚丙烯腈基石墨毡进行钛掺杂改性后，形成了C-O-Ti-O键，作为钒电池电极后，C-O-Ti-O键能防止电解液里析出五氧化二钒沉淀堵塞石墨毡里的微孔，增加钒电池的使用寿命。
(2)本发明通过对聚丙烯腈基石墨毡进行钛掺杂改性后，降低了石墨毡电极的过电位，增加了石墨毡电极充放电的稳定性。
(3)本发明采用溶胶凝胶法并结合超声波方法进行改性，能使Ti元素均匀地掺杂到石墨毡当中。
(4)本发明通过对聚丙烯腈基石墨毡进行钛掺杂改性后，吸水率和比表面都有很大提高，作为钒电池的电极材料以后，可以提高钒电池的能量效率，具有很好的经济和环保效益。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合具体实施例子对一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法做进一步详细的描述，但是应当理解，本申请的保护范围不受这些实施例的具体条件的限制。
实施例1：
本实施例所述的一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈基石墨毡裁剪为5cm×10cm尺寸大小，用去离子水冲洗一遍，然后浸泡在去离子水中超声清洗15分钟；
(2)取出聚丙烯腈基石墨毡，放在45℃的烘箱中烘干；
(3)用去离子水和钛酸丁酯试剂配制摩尔浓度为0.2mol/L的钛酸丁酯溶液A，搅拌均匀；
(4)用去离子水和片状NaOH试剂配制0.01mol/L的NaOH溶液B；
(5)将NaOH溶液B逐滴滴加到钛酸丁酯溶液A中，边加边超声震荡，调节pH值为7.1，得到微碱性的钛酸丁酯溶液C；
(6)将烘干的聚丙烯腈基石墨毡浸入溶液C中，在30℃条件下继续超声震荡5分钟，然后静置30分钟，钛酸丁酯溶液C变成溶胶D；
(7)待溶胶D变为清澈透明的黄色凝胶后，取出聚丙烯腈基石墨毡，放入真空炉中，在120℃条件下预热处理5分钟，随后在550℃条件下煅烧2小时，空冷，清洗，干燥后，得到用于钒电池的钛掺杂量为1.5％的改性石墨毡电极材料，吸水率比改性前提高341％，比表面积比改性前提高了46％，在230mA/cm2的电流密度下，能量效率提高到70％。
实施例2：
本实施例所述的一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈基石墨毡裁剪为5cm×10cm尺寸大小，用去离子水冲洗一遍，然后浸泡在去离子水中超声清洗30分钟；
(2)取出聚丙烯腈基石墨毡，放在45℃的烘箱中烘干；
(3)用去离子水和钛酸丁酯试剂配制摩尔浓度为0.5mol/L的钛酸丁酯溶液A，搅拌均匀；
(4)用去离子水和片状NaOH试剂配制0.01mol/L的NaOH溶液B；
(5)将NaOH溶液B逐滴滴加到钛酸丁酯溶液A中，边加边超声震荡，调节pH值为7.5，得到微碱性的钛酸丁酯溶液C；
(6)将烘干的聚丙烯腈基石墨毡浸入溶液C中，在45℃条件下继续超声震10分钟，然后静置60分钟，钛酸丁酯溶液C变成溶胶D；
(7)待溶胶D变为清澈透明的黄色凝胶后，取出聚丙烯腈基石墨毡，放入真空炉中，在120℃条件下预热处10分钟，随后在700℃条件下煅烧5小时，空冷，清洗，干燥后，得到用于钒电池的钛掺杂量为2.7％的改性石墨毡电极材料，吸水率比改性前提高408％，比表面积比改性前提高了64％，在230mA/cm2的电流密度下，能量效率提高到80％。
实施例3：
本实施例所述的一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈基石墨毡裁剪为5cm×10cm尺寸大小，用去离子水冲洗一遍，然后浸泡在去离子水中超声清洗20分钟；
(2)取出聚丙烯腈基石墨毡，放在45℃的烘箱中烘干；
(3)用去离子水和钛酸丁酯试剂配制摩尔浓度为0.3mol/L的钛酸丁酯溶液A，搅拌均匀；
(4)用去离子水和片状NaOH试剂配制0.01mol/L的NaOH溶液B；
(5)将NaOH溶液B逐滴滴加到钛酸丁酯溶液A中，边加边超声震荡，调节pH值为7.3，得到微碱性的钛酸丁酯溶液C；
(6)将烘干的聚丙烯腈基石墨毡浸入溶液C中，在35℃条件下继续超声震荡10分钟，然后静置30分钟，钛酸丁酯溶液C变成溶胶D；
(7)待溶胶D变为清澈透明的黄色凝胶后，取出聚丙烯腈基石墨毡，放入真空炉中，在120℃条件下预热处理8分钟，随后在620℃条件下煅烧3小时，空冷，清洗，干燥后，得到用于钒电池的钛掺杂量为2.3％的改性石墨毡电极材料，吸水率比改性前提高387％，比表面积比改性前提高了56％，在230mA/cm2的电流密度下，能量效率提高到75％。

Claims (6)

1.一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其特征在于，将聚丙烯腈基石墨毡用去离子水超声清洗干净，在烘箱中烘干，然后将石墨毡浸泡在钛酸丁酯的微碱性水溶液中，超声波震荡，随后静置，待形成凝胶后，取出石墨毡，在真空炉中煅烧，空冷后，用去离子水清洗，干燥后，得到电化学活性高的钒电池钛掺杂石墨毡改性电极材料。
2.根据权利要求1所述的一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈基石墨毡裁剪为5cm×10cm尺寸大小，用去离子水冲洗一遍，然后浸泡在去离子水中超声清洗15～30分钟；
(2)取出聚丙烯腈基石墨毡，放在45℃的烘箱中烘干；
(3)用去离子水和钛酸丁酯试剂配制摩尔浓度为0.2～0.5mol/L的钛酸丁酯溶液A，搅拌均匀；
(4)用去离子水和片状NaOH试剂配制0.01mol/L的NaOH溶液B；
(5)将NaOH溶液B逐滴滴加到钛酸丁酯溶液A中，边加边超声震荡，调节pH值在7.1～7.5之间，得到微碱性的钛酸丁酯溶液C；
(6)将烘干的聚丙烯腈基石墨毡浸入溶液C中，在30～45℃条件下继续超声震荡5～10分钟，然后静置30～60分钟，钛酸丁酯溶液C变成溶胶D；
(7)待溶胶D变为清澈透明的黄色凝胶后，取出聚丙烯腈基石墨毡，放入真空炉中，在120℃条件下预热处理5～10分钟，随后在550～700℃条件下煅烧2～5小时，空冷，清洗，干燥后，得到用于钒电池的钛掺杂改性石墨毡电极材料。
3.根据权利要求1～2所述的一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其特征在于，改性后的石墨毡上掺杂了钛元素，质量掺杂量为1.3～2.8％。
4.根据权利要求1～2所述的一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其特征在于，改性后的石墨毡电极材料吸水率比改性前提高325～413％。
5.根据权利要求1～2所述的一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其特征在于，改性后的石墨毡电极材料后的比表面积，比没改性的石墨毡电极材料提高了43～65％。
6.根据权利要求1～2所述的一种钒电池石墨毡电极材料的钛掺杂改性方法，其特征在于，在230mA/cm2的电流密度下，改性后的石墨毡用做钒电池电极后的能量效率，由没改性的石墨毡电极能量效率的13～15％提高到68～81％。
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