[发明专利]独立微管、制备其的方法与其用途、电极与膜电极组合件

说明书

本发明提供一种独立微管、制备其的方法与其用途、电极与膜电极组合件。本发明的独立微管由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成，所述独立微管具有500μm到5000μm范围内的外径和50μm到1000μm范围内的壁厚度。根据本发明的微管可根据所要几何形状(外径和内径以及长度)、孔隙度、电导率和催化活性而形成，具有出色的孔隙度、机械和化学稳定性、电化学特性、高电和热导率以及高表面积和比电容。

技术领域

本发明涉及由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成的微管。本发明还涉及使用由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成的此些微管作为独立电极或与集电器集成或作为电化学系统中应用的膜电极组合件的一部分，所述电化学系统例如初级和二次电池、氧化还原流电池组、燃料电池、电化学电容器、电容性消电离系统、电化学和生物传感器装置或太阳能电池。由碳纳米管或基于碳纳米管的复合物制成的微管的另一用途涉及将其应用为用于水或废水过滤、用于含水和有机溶剂过滤、用于血液过滤、用于气体分离过程、用于气体和液体吸附过程或用于传感器应用中的受支撑或未受支撑管状膜。

背景技术

例如燃料电池、电化学电容器和氧化还原流电池组等电化学系统当今被认为是用于电能转换和存储(electrical energy conversion and storage，EECS)的有前景的技术，其对于常规电厂的恰当能量管理以及从太阳辐射、风电厂、可再生燃料、波动力和其它来源获得的可再生能量的有效利用是必需的。当今正为开发例如泵浦水电存储(pumpedhydroelectric storage，PHS)、压缩空气能量存储(compressed air energy storage，CAES)、飞轮等“常规”电能存储系统的经济可行的电化学替代方式而作出巨大努力。过去7年间观察到的电化学电能转换和存储系统的领域中的公开案的数目的急剧增加是最近的将来这些系统的重要性的完美指示。

大多数电化学EECS电抗器的核心为膜电极组合件(membrane electrodeassembly，MEA)。典型的MEA包括通过膜分隔开的两个多孔电极，所述膜既定避免电极的直接接触且经由离子物质的选择性或非选择性传送而闭合电路。

分别被称为阳极和阴极的电极上发生氧化和还原过程。图1展示用以提供利用MEA的EECS系统的实例的全钒氧化还原流电池(All-Vanadium Redox Flow Battery，AVRFB)的典型结构。在AVRFB中，MEA由通过膜分隔开的两个多孔电极构成。存储化学能的电解质是硫酸以及分别耦合在正和负半电池中的V⁴⁺/V⁵⁺和V²⁺/V³⁺钒的水溶液。存储在AVRFB中的化学能转换为多孔电极上的电能(且反之亦然)，同时充放电反应期间产生或消耗的质子(等式1-2)选择性地经由通常为纳菲(Nifion)类型或由全氟磺酸或磺化聚芳醚制成的质子导电膜(proton conductive membrane，PEM)传送。

通常，比如燃料电池和氧化还原流电池组等电化学EECS系统包括许多MEA与通过膜分隔开(参看图2)的双极(或单极)电极的堆叠。

AVRFB中应用的电极由碳制成，即碳纤布、毛毡、纸等。事实是，由含碳材料制成的电极在大多数类型的电化学EECS系统中使用，例如氢、甲醇、醇、甲酸、氨、微生物和其它燃料电池；锂电池组；以及电化学电容器。

令人遗憾的是，电化学EECS系统的全规模应用在经济上仍是不可行的。为解决此障碍，电化学电抗器的性能必须改进，同时主要目标是增加系统的电力和/或能量密度，其是表征电化学EECS系统的性能的两个主要参数。改进电化学EECS装置的性能的基本方法是增加其组件的利用效率。

可经由电池几何形状的改进实现材料的较好利用和较高电力密度。类似于氧化还原流电池组和燃料电池中使用的常规平面膜电极组合件，管状MEA还包括三个基本层：正电极、负电极和电极之间的膜。图3上展示此管状MEA的一般结构。