CN114142043A - 提高钒电池用电极电化学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高钒电池用电极电化学性能的方法，包括以下步骤：步骤一、碳纤维毡预处理；步骤二、制备四硫化钒前驱体溶液；步骤三、四硫化钒与碳纤维毡的复合制备；步骤四、后期处理。本发明在作为电池电极材料的碳纤维毡中引入四硫化钒，通过一步溶剂热法所制备的四硫化钒和碳纤维毡的复合材料能够提高电极的导电性和储能容量，同时能够给电极提供较多的活性位点，能够大幅度提高钒电池的电化学性能；本发明无需引入对电池不利的杂质元素，所引入的四硫化钒本身与钒电池中存在的钒离子、硫酸根离子以及硫酸氢根离子具有良好的相容性，不会对钒电池的整体性能造成影响，并且还能提高后续回收电解液的便利性。
Description
技术领域
本发明涉及钒电池生产技术领域，尤其是一种提高钒电池用电极电化学性能的方法。
背景技术
随着世界经济的高速发展，对可持续能源的需求不断增长，因此在过去的几十年中，人们一直在致力于储能技术和新能源方面的创新。钒电池作为一种高效、洁净和大容量的能源，具有充放电效率高、功率密度大等优势，目前已经引起许多学者的重视，在未来会作为能源领域改革的重要支撑一环。作为钒电池系统重要组成部分，具有较高电导率、较长使用寿命的电极材料对于钒电池性能的保证具有重要意义，但就目前来说，钒电池普遍使用的电极材料为聚丙烯腈基碳纤维，其存在电化学活性位点少、储能效率较低等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高钒电池用电极化电学性能的方法，能够提高钒电池的储能效率和储能容量。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：提高钒电池用电极电化学性能的方法，包括以下步骤：
步骤一、碳纤维毡预处理
按照实际需求取用碳纤维毡，浸入丙酮内一段时间后取出，再对碳纤维毡进行超声清洗，超声清洗后烘干；
步骤二、制备四硫化钒前驱体溶液
称取偏钒酸铵与硫代乙酰胺，加入蒸馏水和乙二醇混合溶液中磁力搅拌至溶液呈乳白色，转入聚四氟乙烯反应釜中；
步骤三、四硫化钒与碳纤维毡的复合制备
将步骤一中经过预处理的碳纤维毡浸泡在步骤二中装有四硫化钒前驱体溶液的反应釜中，放入干燥箱内加热保温，加热完成后将反应釜取出，过滤得到未处理过的含有四硫化钒的碳纤维毡，浸泡于乙醇和水的混合溶液中进行超声震荡，然后静置一段时间后制备成电极；
步骤四、后期处理
将电极取出，放入丙酮浸泡后用蒸馏水洗涤，最后送入干燥箱内干燥即可使用。
进一步的是：所述步骤一中，将碳纤维毡在室温下进入丙酮，浸泡时间为24～36h。
进一步的是：所述步骤一中，超声波清洗采用乙醇和水的混合溶液，乙醇含量为50％；烘干温度为70～90℃。
进一步的是：所述步骤二中，偏钒酸铵称量为0.3～0.6g，硫代乙酰胺称量为1.2～1.7g；蒸馏水和乙二醇混合溶液为40～50ml，乙二醇的比例为40～50％；磁力搅拌时间为20～40min。
进一步的是：所述步骤三中，干燥箱的加温保温温度为140～180℃，加热保温时间为18～30h。
进一步的是：所述步骤三中，含有四硫化钒的碳纤维毡在室温下浸泡于乙醇和水的混合溶液中，乙醇含量为50％；超声震荡时间为4～6h，静置时间为20～40min。
进一步的是：所述步骤四中，电极在丙酮中的浸泡时间为24～36h，蒸馏水洗涤次数为4～6次。
进一步的是：所述步骤四中，干燥箱的干燥温度为80～100℃，干燥时间为10～12h。
进一步的是：所述步骤三中加热保温所采用的干燥箱为鼓风干燥箱；所述步骤四中干燥所采用的干燥箱为真空干燥箱。
本发明的有益效果是：
1、本发明在作为电池电极材料的碳纤维毡中引入四硫化钒，通过一步溶剂热法所制备的四硫化钒和碳纤维毡的复合材料能够提高电极的导电性和储能容量，同时能够给电极提供较多的活性位点，能够大幅度提高钒电池的电化学性能；
2、本发明无需引入对电池不利的杂质元素，所引入的四硫化钒本身与钒电池中存在的钒离子、硫酸根离子以及硫酸氢根离子具有良好的相容性，不会对钒电池的整体性能造成影响，并且还能提高后续回收电解液的便利性；
3、本发明的工艺方法无需使用任何污染试剂，使用条件温和、不会对环境造成污染，且整体工艺简单；
4、本发明所采用的四硫化钒所具备的多层一维链状结构稳定，其发散状的微观结构能够使其更好地嵌入碳纤维毡中，在钒电池的运行过程中不易脱落，能够维持较长时间的运行，提高了循环寿命；
5、本发明相较于现有技术中直接在碳纤维毡上引入金属或金属氧化物的改性方法，四硫化钒的引入能够使钒离子不易剥离，且四硫化钒中每个V4+离子周围连接着两个(S2)2-聚体能大幅度提升钒电池的储能容量。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。
本发明所公开的钒电池用电极改性方法，包括以下步骤：
步骤一、碳纤维毡预处理
按照实际需求取用碳纤维毡，将碳纤维毡在室温下进入丙酮24～36h后取出，再对碳纤维毡进行超声清洗，超声波清洗采用乙醇和水的混合溶液，乙醇含量为50％，超声清洗后放入烘箱中在70～90℃温度下烘干；
步骤二、制备四硫化钒前驱体溶液
称取0.3～0.6g偏钒酸铵与1.2～1.7g硫代乙酰胺，加入40～50ml蒸馏水和乙二醇混合溶液(乙二醇的比例为40～50％)中，磁力搅拌20～40min直至溶液呈乳白色，转入聚四氟乙烯反应釜中；
步骤三、四硫化钒与碳纤维毡的复合制备
将步骤一中经过预处理的碳纤维毡浸泡在步骤二中装有四硫化钒前驱体溶液的反应釜中，放入鼓风干燥箱内140～180℃温度下保温18～30h，加热完成后将反应釜取出，过滤得到未处理过的含有四硫化钒的碳纤维毡，在室温下浸泡于乙醇和水的混合溶液(乙醇含量为50％)中进行4～6h的超声震荡，然后静置20～40min后制备成电极；
步骤四、后期处理
将电极取出，放入丙酮浸泡24～36h后用蒸馏水洗涤4～6次，最后送入真空干燥箱内在80～100℃的温度下干燥10～12h后即可使用。
本发明中在碳纤维毡中引入了四硫化钒来提升钒电池用电极的电化学性能，通过将聚丙烯腈基碳纤维毡与四硫化钒纳米材料进行结合，一方面可以提高碳纤维毡本身的导电性，另一方面也增强了电极的容量并且提供了大量的电化学活性位点，从而能够促进导电离子的迁移；且相较于目前较为常用的钒电池电极材料改性方法，本发明不会引入新的杂质元素，保证了电池系统的稳定性。
四硫化钒是过渡族金属硫化物中的一员，但是四硫化钒有别于二维材料的特征，四硫化钒的晶体结构为一维层状链条结构，拥有较高的理论储能密度和较多的活性位点，且四硫化钒的能带宽度大约只有1.0eV，在常温下表现为金属态，具有较高的导电性，将四硫化钒与碳纤维毡结合作为复合电极材料，能较好地改善碳纤维毡作为电极材料的劣势，使得钒电池整体性能得到有效提升。
实施例1
取一定尺寸的碳纤维毡在室温下浸入丙酮中24h后，取出，再将碳纤维毡经过乙醇/水(乙醇含量为50％)超声清洗后，放入烘箱在70℃温度下烘干；称量0.4g的偏钒酸铵以及1.4g的硫代乙酰胺，加入到40ml蒸馏水和乙二醇的混合溶液(乙二醇比例为40～50％)中，磁力搅拌20min后转入聚四氟乙烯反应釜中；将预处理过的碳纤维毡浸泡在装有前驱体溶液的反应釜内衬中，放入鼓风干燥箱中在140℃温度下加热保温18h；加热完毕后取出反应釜，过滤得到未处理过的含有四硫化钒的碳纤维毡复合材料，将含有四硫化钒的碳纤维毡复合材料在室温下浸泡于乙醇和水的混合溶液(乙醇含量为50％)中进行超声震荡4h，然后静置20min；将电极取出，用丙酮浸泡24h后，用蒸馏水洗涤4次，放入真空干燥箱中在80℃温度下干燥10h烘干。本实施例所制备的电极组装电池相较未处理电极组装的电池利用率提高了5.2％，能量效率提高了15.4％。
实施例2
取一定尺寸的碳纤维毡在室温下浸入丙酮中30h后，取出，再将碳纤维毡经过乙醇/水(乙醇含量为50％)超声清洗后，放入烘箱在80℃温度下烘干；称量0.5g的偏钒酸铵以及1.5g的硫代乙酰胺，加入到45ml蒸馏水和乙二醇的混合溶液(乙二醇比例为40～50％)中，磁力搅拌30min后转入聚四氟乙烯反应釜中；将预处理过的碳纤维毡浸泡在装有前驱体溶液的反应釜内衬中，放入鼓风干燥箱中在160℃温度下加热保温24h；加热完毕后取出反应釜，过滤得到未处理过的含有四硫化钒的碳纤维毡复合材料，将含有四硫化钒的碳纤维毡复合材料在室温下浸泡于乙醇和水的混合溶液(乙醇含量为50％)中进行超声震荡5h，然后静置30min；将电极取出，用丙酮浸泡30h后，用蒸馏水洗涤5次，放入真空干燥箱中在90℃温度下干燥11h烘干。本实施例所制备的电极组装电池相较未处理电极组装的电池利用率提高了4.9％，能量效率提高了14.7％。
实施例3
取一定尺寸的碳纤维毡在室温下浸入丙酮中36h后，取出，再将碳纤维毡经过乙醇/水(乙醇含量为50％)超声清洗后，放入烘箱在90℃温度下烘干；称量0.6g的偏钒酸铵以及1.6g的硫代乙酰胺，加入到50ml蒸馏水和乙二醇的混合溶液(乙二醇比例为40～50％)中，磁力搅拌40min后转入聚四氟乙烯反应釜中；将预处理过的碳纤维毡浸泡在装有前驱体溶液的反应釜内衬中，放入鼓风干燥箱中在180℃温度下加热保温30h；加热完毕后取出反应釜，过滤得到未处理过的含有四硫化钒的碳纤维毡复合材料，将含有四硫化钒的碳纤维毡复合材料在室温下浸泡于乙醇和水的混合溶液(乙醇含量为50％)中进行超声震荡5h，然后静置40min；将电极取出，用丙酮浸泡30h后，用蒸馏水洗涤6次，放入真空干燥箱中在100℃温度下干燥12h烘干。本实施例所制备的电极组装电池相较未处理电极组装的电池利用率提高了4.7％，能量效率提高了14.2％。
Claims (9)
1.提高钒电池用电极电化学性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、碳纤维毡预处理
按照实际需求取用碳纤维毡，浸入丙酮内一段时间后取出，再对碳纤维毡进行超声清洗，超声清洗后烘干；
步骤二、制备四硫化钒前驱体溶液
称取偏钒酸铵与硫代乙酰胺，加入蒸馏水和乙二醇混合溶液中磁力搅拌至溶液呈乳白色，转入聚四氟乙烯反应釜中；
步骤三、四硫化钒与碳纤维毡的复合制备
将步骤一中经过预处理的碳纤维毡浸泡在步骤二中装有四硫化钒前驱体溶液的反应釜中，放入干燥箱内加热保温，加热完成后将反应釜取出，过滤得到未处理过的含有四硫化钒的碳纤维毡，浸泡于乙醇和水的混合溶液中进行超声震荡，然后静置一段时间后制备成电极；
步骤四、后期处理
将电极取出，放入丙酮浸泡后用蒸馏水洗涤，最后送入干燥箱内干燥即可使用。
2.如权利要求1所述的提高钒电池用电极电化学性能的方法，其特征在于：所述步骤一中，将碳纤维毡在室温下进入丙酮，浸泡时间为24～36h。
3.如权利要求1所述的提高钒电池用电极电化学性能的方法，其特征在于：所述步骤一中，超声波清洗采用乙醇和水的混合溶液，乙醇含量为50％；烘干温度为70～90℃。
4.如权利要求1所述的提高钒电池用电极电化学性能的方法，其特征在于：所述步骤二中，偏钒酸铵称量为0.3～0.6g，硫代乙酰胺称量为1.2～1.7g；蒸馏水和乙二醇混合溶液为40～50ml，乙二醇的比例为40～50％；磁力搅拌时间为20～40min。
5.如权利要求1所述的提高钒电池用电极电化学性能的方法，其特征在于：所述步骤三中，干燥箱的加温保温温度为140～180℃，加热保温时间为18～30h。
6.如权利要求1所述的提高钒电池用电极电化学性能的方法，其特征在于：所述步骤三中，含有四硫化钒的碳纤维毡在室温下浸泡于乙醇和水的混合溶液中，乙醇含量为50％；超声震荡时间为4～6h，静置时间为20～40min。
7.如权利要求1所述的提高钒电池用电极电化学性能的方法，其特征在于：所述步骤四中，电极在丙酮中的浸泡时间为24～36h，蒸馏水洗涤次数为4～6次。
8.如权利要求1所述的提高钒电池用电极电化学性能的方法，其特征在于：所述步骤四中，干燥箱的干燥温度为80～100℃，干燥时间为10～12h。
9.如权利要求1所述的提高钒电池用电极电化学性能的方法，其特征在于：所述步骤三中加热保温所采用的干燥箱为鼓风干燥箱；所述步骤四中干燥所采用的干燥箱为真空干燥箱。
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Application publication date: 20220304 Assignee: SICHUAN PAN YAN TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Chengdu advanced metal material industry technology Research Institute Co.,Ltd. Contract record no.: X2024980001678 Denomination of invention: Methods for improving the electrochemical performance of electrodes used in vanadium batteries Granted publication date: 20231027 License type: Common License Record date: 20240131 |
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