CN111883780B - 一种电解法制备活性石墨毡电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电解法制备活性石墨毡电极的方法，以石墨毡作为基体材料，通过在铵盐溶液中恒压电解的方式向石墨毡引入氧官能团和氮官能团，得到铁铬液流电池用活性石墨毡正负电极材料：制备0.5‑5mol/L铵盐溶液；将石墨毡浸渍到铵盐溶液中；将两块浸渍后的石墨毡分别连接在恒压电源的正负极，并没入铵盐溶液中，通以0.5‑5.0V的恒定电压，电解铵盐溶液，于60‑80℃干燥。优点是：操作简单、快捷，价格低廉，且对制备环境要求较低，降低了液流电池的制备成本。

Description

一种电解法制备活性石墨毡电极的方法
技术领域
本发明属于液流电池领域，尤其涉及一种电解法制备活性石墨毡电极的方法。
背景技术
随着人民生活水平的不断提高，人们对能源的需求越来越大，尤其是对电的需求，这就导致煤炭消耗量不断增加，二氧化硫排放量急剧上升，其中电厂和工业锅炉排放量占多数。为了避免环境污染的继续恶化，需要研究并开辟风能和太阳能等新能源来发电，这就促进了二次电池的发展。氧化还原液流电池具有启动速度快、储能容量大、能量效率高、安全可靠、绿色无污染等优点，是储能电池最好的选择之一。液流电池的关键组件包括电极、电解液和离子交换膜。碳素类的石墨毡材料成本低、稳定性好，但是这类电极的活性不是很好，为了提髙电极表面的反应速率，还需对其进行有效的预处理。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电解法制备活性石墨毡电极的方法，将石墨毡浸渍在铵盐溶液中，利用恒压电解法向正极石墨毡中引入大量氧官能团、向负极石墨毡中引入大量氮官能团，氮、氧官能团为铁铬液流电池氧化还原反应提供大量活性位点，使电池容量、效率和使用寿命大幅提高。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种电解法制备活性石墨毡电极的方法，以石墨毡作为基体材料，通过在铵盐溶液中恒压电解的方式向石墨毡引入氧官能团和氮官能团，得到铁铬液流电池用活性石墨毡正负电极材料，具体操作步骤如下：
1)向分析纯级的铵盐晶体中添加水，磁力搅拌20-40min至完全溶解，得到0.5-5mol/L铵盐溶液；
2)将石墨毡浸渍到铵盐溶液中，用超声波清洗仪以10-100kHz的频率超声分散20-30min；
3)将两块浸渍后的石墨毡分别连接在恒压电源的正负极，并没入铵盐溶液中，通以0.5-5.0V的恒定电压，电解铵盐溶液5-60min，将电极取下并于60-80℃干燥12-24小时，即得到液流电池用活性石墨毡电极。
步骤3)中石墨毡与恒压电源正负极导线间的连接介质为石墨棒。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的铁铬液流电池用活性石墨毡电极的制备方法操作简单、快捷，价格低廉，且对制备环境要求较低，降低了液流电池的制备成本，为液流电池商业化应用提供可能。
2)采用本发明方法制备的活性石墨毡作为电极的铁铬液流电池，电池的效率提高，容量损失降低，从而使铁铬液流电池的电化学性能提高，稳定性增强。该活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为650-820mA/cm2、阻抗为0.045-0.08Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高2.4-3倍，阻抗降低39％-64％；负极氧化峰电流值为180-350mA/cm2、阻抗为0.03-0.15Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高1.2-2.4倍，阻抗降低24％-84％。
具体实施方式
下面对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
一种电解法制备活性石墨毡电极的方法，以石墨毡作为基体材料，通过在铵盐溶液中恒压电解的方式向正负极石墨毡引入氧官能团和氮官能团，得到铁铬液流电池用活性石墨毡电极材料，具体操作步骤如下：
1)向分析纯级的铵盐晶体中添加适量水，磁力搅拌20-40min至完全溶解，得到0.5-5mol/L铵盐溶液；
2)将洁净的石墨毡浸渍到配制的0.5-5mol/L铵盐溶液中，用超声波清洗仪以10-100kHz的频率超声分散20-30min；
3)将两块30mm×30mm浸渍后的石墨毡(厚度为3～6mm)分别连接在恒压电源的正负极并没入铵盐溶液中，通以0.5-5.0V的恒定电压，电解铵盐溶液5-60min，将电极取下并于60-80℃干燥12-24小时，即得到液流电池用活性石墨毡电极；其中，石墨毡与恒压电源正负极导线间的连接介质应为与石墨毡原料相似的石墨材料，如：石墨棒。
铁铬液流电池的离子交换膜为Nafion 115，正负极电解液均采用1mol/L Fe2++1mol/L Cr3++3mol/L HCl，电极采用本发明方法制备的活性石墨毡电极。
实施例1：
一种电解法制备活性石墨毡电极的方法，以石墨毡作为基体材料，通过在铵盐溶液中恒压电解的方式向正负极石墨毡引入氧官能团和氮官能团，得到液流电池用活性石墨毡电极材料，其具体操作步骤如下：
1)向分析纯级的铵盐晶体中添加适量水，磁力搅拌30min至完全溶解，得到1mol/L铵盐溶液；
2)将洁净的石墨毡浸渍到配制的1mol/L铵盐溶液中，用超声波清洗仪以50kHz的频率超声分散30min；
3)将两块30mm×30mm浸渍后的石墨毡分别连接在恒压电源的正负极并没入铵盐溶液中，通以1.2V的恒定电压，电解铵盐溶液15min，将电极取下并于80℃干燥12小时，即得到液流电池用活性石墨毡电极。石墨毡与恒压电源正负极导线间的连接介质为石墨棒。
本实施例制备的活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为660mA/cm2、阻抗为0.077Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高2.44倍，阻抗降低39.37％；负极氧化峰电流值为200mA/cm2、阻抗为0.057Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高1.33倍，阻抗降低29.69％。
实施例2：
与实施例1的区别在于，浸渍后的石墨毡分别连接在恒压电源的正负极并没入铵盐溶液中，通以1.2V的恒定电压，电解铵盐溶液30min，将电极取下并于80℃干燥12小时，即得到液流电池用活性石墨毡电极。
本实施例制备的活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为800mA/cm2、阻抗为0.070Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高2.96倍，阻抗降低44.88％；负极氧化峰电流值为340mA/cm2、阻抗为0.145Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高2.27倍，阻抗降低24.48％。
实施例3：
与实施例1的区别在于，浸渍后的石墨毡分别连接在恒压电源的正负极并没入铵盐溶液中，通以1.2V的恒定电压，电解铵盐溶液45min，将电极取下并于80℃干燥12小时，即得到液流电池用活性石墨毡电极。
本实施例制备的活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为760mA/cm2、阻抗为0.047Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高2.81倍，阻抗降低62.99％；负极氧化峰电流值为280mA/cm2、阻抗为0.032Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高1.87倍，阻抗降低83.33％。
实施例4：
与实施例1的区别在于，浸渍后的石墨毡分别连接在恒压电源的正负极并没入铵盐溶液中，通以1.2V的恒定电压，电解铵盐溶液60min，将电极取下并于80℃干燥12小时，即得到液流电池用活性石墨毡电极。
本实施例制备的活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为710mA/cm2、阻抗为0.046Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高2.63倍，阻抗降低63.78％；负极氧化峰电流值为180mA/cm2、阻抗为0.037Ω·cm2，相较于基体石墨毡峰电流值提高1.2倍，阻抗降低80.73％。
尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明，但本领域普通的技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的要求的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (2)

1.一种电解法制备活性石墨毡电极的方法，其特征在于，以石墨毡作为基体材料，通过在铵盐溶液中恒压电解的方式向石墨毡引入氧官能团和氮官能团，得到铁铬液流电池用活性石墨毡正负电极材料，具体操作步骤如下：
1)向分析纯级的铵盐晶体中添加水，磁力搅拌20-40min至完全溶解，得到0.5-5mol/L铵盐溶液；
2)将石墨毡浸渍到铵盐溶液中，用超声波清洗仪以10-100kHz的频率超声分散20-30min；
3)将两块浸渍后的石墨毡分别连接在恒压电源的正负极，并没入铵盐溶液中，通以0.5-5.0V的恒定电压，电解铵盐溶液5-60min，将电极取下并于60-80℃干燥12-24小时，即得到液流电池用活性石墨毡电极；
该活性石墨毡在电化学测试中作为工作电极进行正负极循环伏安和交流阻抗测试，正极氧化峰电流值为650-820mA/cm2、阻抗为0.045-0.08Ω·cm2。
2.根据权利要求1所述的一种电解法制备活性石墨毡电极的方法，其特征在于，步骤3)中石墨毡与恒压电源正负极导线间的连接介质为石墨棒。
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