CN113809338B - 一种全钒液流电池用电极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其制备方法包括将石墨烯和多巴胺按照质量比加入到去离子水当中，利用磁力搅拌器进行搅拌，然后将剪裁好的石墨毡放到烘箱中热处理3h，然后将其浸泡到上述中溶液，浸泡，然后在该溶液中加入缓冲剂调节溶液的pH值使多巴胺开始自聚合，搅拌反应6～10h后，将其石墨毡取出，自然晾干，然后放置到管式炉当中在惰性气体条件下炭化，得到该石墨毡电极材料。本发明制备的全钒液流电池用电极材料在电极反应过程中，电负性的N元素更容易将带点正电荷的钒离子吸引到电极表面参与反应，极大提高了电极材料的传输离子的传导电子能力，进而提升电池的能量转化效率。

Description

一种全钒液流电池用电极材料的制备方法
技术领域
本发明属于电池电极材料的制备，具体涉及一种全钒液流电池用电极材料的制备方法。
背景技术
电极是钒电池中氧化还原反应发生的主要场所，虽然不直接参与电池反应，但会对钒离子氧化还原反应起催化作用，决定了电池的能量转化效率及功率密度。在金属电极之后，碳材料也因其导电性好、耐腐蚀性高、电化学稳定性好等优点而被广泛用作钒电池电极材料。不同于价格昂贵的金属类电极，碳基电极成本更为低廉。
目前用做钒电池电极的碳材料主要有石墨、碳布、碳纸、碳毡以及石墨毡等。其中，应用最为广泛的碳基材料是聚丙烯腈(PAN)基的碳毡和石墨毡。因为石墨毡石墨化程度较高，因而电导率高、耐腐蚀性好且电化学稳定性高。此外，石墨毡本身为各向异性的三维多孔结构，电极孔隙率大，有助于电解液在电极内部的流动，可以促进活性物质传递。但是，虽然石墨毡是一种具有较高电导率以及腐蚀性好的全钒电池电极材料，但其存在较低的电化学活性以及疏水性等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其制备方法包括以下步骤：
S1：将石墨烯和多巴胺按照质量比为1:1.5～2.6加入到去离子水当中，利用磁力搅拌器进行搅拌45min。
S2：将石墨毡剪裁成5cmx5cm的石墨毡，然后将剪裁好的石墨毡放到烘箱中在150～240℃下热处理3h，然后将其浸泡到步骤S1中溶液，浸泡6～12h，然后在该溶液中加入缓冲剂调节溶液的pH值使多巴胺开始自聚合，搅拌反应6～10h后，将其石墨毡取出，自然晾干，然后放置到管式炉当中在700～1000℃的惰性气体条件下炭化3～5h，得到该石墨毡电极材料。
作为优选方案，上述步骤S1所述石墨烯和多巴胺按照质量比为1:1.5～2.3。
作为优选方案，上述步骤S2所述缓冲剂为柠檬酸、碳酸、巴比妥酸或三羟甲基氨基甲烷中任意一种。
作为优选方案，上述步骤S2所述调节pH值为8.5～9.8。
作为优选方案，上述步骤S2所述炭化温度为700～850℃。
作为优选方案，上述步骤S2所述惰性气体为氮气、氦气或氩气中的任意一种。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中所制备的电极材料石墨毡，通过石墨烯掺杂以及多巴胺改性，在很大程度上提高石墨毡的比表面积和表面能，改善电极材料的亲水性，提升电极材料电化学活性。
(2)本发明中所制备的电极材料石墨毡，多巴胺作为氮源和碳源，引入C-N极性键，从根本上改变了石墨毡的电化学活性和亲水性，同时N原子的掺杂也增加了碳基片层结构中的缺陷位，同时在电极反应过程中，电负性的N元素更容易将带点正电荷的钒离子吸引到电极表面参与反应，极大提高了电极材料的传输离子的传导电子能力，进而提升电池的能量转化效率。
(3)本发明中通过多巴胺自聚合负载在石墨毡上，同时石墨烯材料负载在石墨毡上并由多巴胺包裹，使得石墨烯材料负载更加牢固，提升石墨毡比表面积，再经过炭化过程后得到负载石墨烯和氮负载的石墨毡复合材料，工艺操作简单且环保。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备全钒液流电池用电极材料的SEM图谱；
图2为本发明实施例1所制备全钒液流电池用电极材料的阻抗图。
具体实施方式
下面对本发明实施例作具体详细的说明，本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
实施例1
一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其具体制备步骤：
S1：将石墨烯和多巴胺按照质量比为1:1.5加入到去离子水当中，利用磁力搅拌器进行搅拌45min。
S2：将石墨毡剪裁成5cmx5cm的石墨毡，然后将剪裁好的石墨毡放到烘箱中在150℃下热处理3h，然后将其浸泡到步骤S1中溶液，浸泡6h，然后在该溶液中加入缓冲剂柠檬酸调节溶液的pH值为8.5使多巴胺开始自聚合，搅拌反应6h后，将其石墨毡取出，自然晾干，然后放置到管式炉当中在700℃的惰性气体氮气条件下炭化3h，得到该石墨毡电极材料。
实施例2
一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其具体制备步骤：
S1：将石墨烯和多巴胺按照质量比为1:2.6加入到去离子水当中，利用磁力搅拌器进行搅拌45min。
S2：将石墨毡剪裁成5cmx5cm的石墨毡，然后将剪裁好的石墨毡放到烘箱中在240℃下热处理3h，然后将其浸泡到步骤S1中溶液，浸泡12h，然后在该溶液中加入缓冲剂碳酸调节溶液的pH值为9.8使多巴胺开始自聚合，搅拌反应10h后，将其石墨毡取出，自然晾干，然后放置到管式炉当中在1000℃的惰性气体氦气条件下炭化5h，得到该石墨毡电极材料。
实施例3
一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其具体制备步骤：
S1：将石墨烯和多巴胺按照质量比为1:2.2加入到去离子水当中，利用磁力搅拌器进行搅拌45min。
S2：将石墨毡剪裁成5cmx5cm的石墨毡，然后将剪裁好的石墨毡放到烘箱中在200℃下热处理3h，然后将其浸泡到步骤S1中溶液，浸泡8h，然后在该溶液中加入缓冲剂巴比妥酸调节溶液的pH值为9.2使多巴胺开始自聚合，搅拌反应8h后，将其石墨毡取出，自然晾干，然后放置到管式炉当中在850℃的惰性气体氩气条件下炭化4h，得到该石墨毡电极材料。
实施例4
一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其具体制备步骤：
S1：将石墨烯和多巴胺按照质量比为1:2.2加入到去离子水当中，利用磁力搅拌器进行搅拌45min。
S2：将石墨毡剪裁成5cmx5cm的石墨毡，然后将剪裁好的石墨毡放到烘箱中在200℃下热处理3h，然后将其浸泡到步骤S1中溶液，浸泡8h，然后在该溶液中加入缓冲剂三羟甲基氨基甲烷调节溶液的pH值为8.8使多巴胺开始自聚合，搅拌反应8h后，将其石墨毡取出，自然晾干，然后放置到管式炉当中在850℃的惰性气体氮气条件下炭化4h，得到该石墨毡电极材料。
性能测试实验：
将实施例1所制备的电极材料组装单电池，得到所组装电池本体电阻Rb＝32.3mΩ；将石墨毡作为电极材料组装单电池，得到所组装电池本体电阻Rb＝53.9mΩ，通过掺杂改性的电极材料有效降低电池内阻，提高电荷传输能力，促进与电解液间的活性物质交换，提升电池性能。

Claims (5)

1.一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其特征在于，其制备方法包括：
S1：将石墨烯和多巴胺按照质量比为1: 1.5~2.3加入到去离子水当中，利用磁力搅拌器进行搅拌45min；
S2：将石墨毡剪裁成5cm×5cm的石墨毡，然后将剪裁好的石墨毡放到烘箱中在150~240℃下热处理3h，然后将其浸泡到步骤S1中溶液，浸泡6~12h，然后在该溶液中加入缓冲剂调节溶液的pH值至8.5~9.8，使多巴胺开始自聚合，搅拌反应6~10h后，将其石墨毡取出，自然晾干，然后放置到管式炉当中在700~1000℃的惰性气体条件下炭化3~5h，得到该石墨毡电极材料。
2.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其特征在于，所述缓冲剂为柠檬酸、碳酸、巴比妥酸或三羟甲基氨基甲烷中任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其特征在于，步骤S2所述炭化温度为700~850℃。
4.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气或氩气中的任意一种。
5.一种全钒液流电池用电极材料，其特征在于，所述电极材料由权利要求1~4任意一项所述的制备方法制备得到。
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全钒液流电池用PAN基石墨毡复合电极性能研究;李松;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》;第21-23页 *

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