[发明专利]一种电极材料及包含其的全钒液流电池

说明书

技术领域

本发明涉及液流电池领域，更具体地涉及全钒电池的电极材料。 

背景技术

全钒液流电池用电极包括表面活性材料(以下称电极材料)，其与集流体复合在一起，集流体的功能是收集电子，传输电流。表面活性材料提供不同价态钒离子得失电子，即发生电化学氧化/还原反应的场所，因此，表面活性材料的性质对电极乃至整个电池的电化学性能影响显著。 

目前，用作钒电池的电极材料主要有金属电极、复合导电塑料电极和碳素类电极，金属类电极不仅价格较昂贵，电化学活性也不好，不能实际应用于钒电池；复合导电材料主要是高分子物质，如聚乙烯、聚氯乙烯等以一定的比例与导电剂(石墨粉、碳粉、乙炔黑等)混合压片而成；碳素类电极(主要是石墨毡、碳毡、碳纸、碳布等)直接用于钒电池电化学活性不够高。 

为提高电极电化学活性，碳素类材料在使用前通常都要进行处理。文献报道的处理方法有热处理，即将碳素类材料置于马弗炉中，在200～600℃下恒温10～60min；或酸处理，如将碳素类材料置于2.0～18.4mol/L的硫酸溶液中，在0～120℃浸泡0.1～48h；或电化学阳极氧化，即以碳素类材料为阳极，在0.1～10.0mol/L的硫酸溶液 中以10.0～300.0mA/cm2的电流密度进行电化学氧化；或化学处理，即在炭素类材料表面沉积过渡金属、贵金属或者它们的氧化物、羟基氧化物等，或将碳素类材料浸泡在重铬酸钾或高锰酸钾等强氧化性化合物的溶液中，进行氧化处理。 

上述处理方式虽然提高碳素电极的电化学活性，但是材料的机械强度下降明显。这样既增加了电池装配的难度，在电池充、放电过程中，部分纤维容易从电极上脱落进入电解液，造成电池流场堵塞，电池性能下降。同时也影响电极乃至电池使用寿命。 

发明内容

本发明提供一种用于全钒液流电池的电极，其具有提高的电化学活性，而且具有可靠的机械强度。 

本发明提供的用于钒电池的电极为碳素电极，由石墨毡、碳毡、碳纸或碳布形成，并且在该碳素电极表面生长有碳纳米管，并且，在所述碳纳米管的内、外表面无需形成金属催化剂层。 

本发明因此还提出一种全钒液流电池，其包含有上述带有碳纳米管的碳素电极。 

碳纳米管可以提高全钒液流电池电极材料的电化学反应活性；又由于碳纳米管只沉积在电极材料表面，从而降低碳纳米管用量、降低电极成本；同时，碳纳米管在电极材料表面定向生长，既有利于提高电极材料与电解液接触的比表面积，也有利于提高碳纳米管在炭素类基底材料上的附着力，使其不易脱落，延长电极的使用寿命。 

本发明还涉及一种用于形成全钒液流电池的电极材料的方法，包括以下步骤：1)将碳素基材用酸溶液处理；2)将处理后的碳素基材在0.1～5.2mol/L的Fe(NO₃)₃的二甲苯溶液中浸泡一段时间，然后取出晾干；3)将步骤2)中得到的碳素基材置于一个高温反应炉内，并在所述反应炉内放置碳源气体裂解催化剂，在惰性气氛保护下，将炉内温度保持在适宜的反应温度，然后通入碳源气体；以及4)继续在惰性气氛的保护下冷却得到的电极材料。 

附图说明

图1为沉积和未沉积碳纳米管电极的循环伏安曲线比较； 

图2为沉积和未沉积碳纳米管电极的充放电曲线比较，其中，曲线1是针对沉积前碳布，曲线2是针对沉积前碳毡，曲线3是针对沉积前石墨毡，曲线4是针对沉积后碳布，曲线5是针对沉积后碳毡。 

具体实施方式

本发明拟以碳布、碳毡、石墨毡等碳素类材料为基体，在上面形成一层管径为5.0～89.0nm，长度为5.0nm～20.0μm的单壁或多壁碳纳米管。 

在本发明中，形成碳纳米管的方法可以有多种，例如凝聚相电解生成法、石墨电弧法、水热法、化学气相沉积法和催化裂解法。