[发明专利]杂原子掺杂液流电池用电极材料

说明书

本发明提供了一种液流电池用电极材料及其制备方法和用途，特别是一种杂原子掺杂液流电池用电极材料及其制备方法和应用。该法利用杂原子掺杂的碳素电极材料，大大减少了电极的极化作用，提高了电极的电压效率。同时增加含氧官能团，为反应物种提供反应位点，提高了电解液与电极的接触能力。杂原子的掺杂使得碳素电极中碳原子周围的电荷分布不均，极大地提高了碳素电极的导电率，在大电流密度下表现出具有较高的能量效率，且具有较为优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及储能液流电池电极材料及其制备方法和应用,特别是一种杂原子掺杂液流电池用电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

当今世界化石能源面临枯竭和其所带来的环境污染等问题日益严重，迫使人们寻找新型的可再生清洁能源作为化石能源的替代。例如风能，太阳能等可再生清洁能源被广泛认为是未来新型能源的希望。然而，太阳能和风能却受地理位置、气候变化等环境因素的影响，抑制了其进一步的发展。因此，需要大规模的储能技术来储存这些间歇性、不连续性的新能源，同时在需要的时候提供安全可靠、连续稳定的电能输出。其中，氧化还原液流电池由于其灵活的设计而成为一种具有较大应用前景的大规模储能技术。特别是全钒液流电池，其正负电解液使用的是相同的元素钒，避免了正负电解液的交叉污染。钒电池的正负电解液分别储存在电堆的外部储存槽中，通过泵的作用输送到电极的表面发生氧化还原反应，隔膜在正负电极之间阻止钒离子的通过，同时允许质子的通过完成整个电路的回路。通过这种设计，钒电池具有较长的循环寿命和稳定性，高的能量效率，环境友好性的特点。且钒电池的容量能够通过简单地混合正负极电解液而得到恢复。

液流电池的电极本身并不参与化学反应，而是为电化学活性物质提供反应场所，因此，它决定了电池的整体效率，是液流电池十分重要的组成部分。目前，液流电池的电极多采用碳素材料，特别是石墨毡，碳毡，碳纸，碳布等。例如，石墨毡具有三维多空的结构，其比表面积大，电化学稳定性好，导电性高，机械强度好等优势，被认为是一种具有十分应用前景的液流电池用电极材料。然而，石墨毡的亲水性差，电化学催化活性不足，抑制了其在液流电池领域进一步的发展。为了提高全钒液流电池的电池性能，目前有效的方法主要有：(1)使用贵金属和金属氧化物，有效提高电极的电化学催化活性，但是该方法成本过高，不适用大规模推广。(2)使用酸处理、热处理、电化学氧化等方法处理石墨毡，有效增加了石墨毡表面的氧官能团，提供了较多的反应活性位点，提高了电极的可逆性，然而在电池的液流环境中，石墨毡上的氧官能团容易脱落，在电池的长循环运行过程中不稳定。

发明内容

为改善现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种杂原子掺杂的电极及其制备方法和用途。其中，使用浸渍法将含杂原子的化合物负载在石墨毡表面，利用高温分解法同时掺杂杂原子到电极表面。该方法原材料廉价、操作工艺流程简单、环境友好，有望广泛应用于液流电池，特别是全钒液流电池商业推广。

本发明首先提供一种电极，包含通过高温分解法形成杂原子掺杂的碳素类电极材料。

所述高温分解法中，温度可以是500～1000℃，如700℃、800℃、900℃。

所述碳素类电极材料可以选自碳毡、石墨毡、碳布或碳纸中的一种或多种。优选地，所述杂原子掺杂在碳素类电极材料的表面。

所述杂原子优选选自磷，硼，硫等中的一种或多种及氧。

所述电极中氧/碳比的范围可以为0.05-0.20，除氧之外的其他杂原子/碳比的范围可以为0.004-0.10；优选地，所述电极中氧/碳比的范围可以为0.08-0.20，如0.09～0.12；除氧之外的其他杂原子/碳比的范围可以为0.005-0.10，如0.015～0.025。作为示例性的实例，电极中磷/碳比可以是0.021，氧/碳比可以是0.109。

优选地，所述电极为应用于液流电池，特别是全钒液流电池的电极。

作为实例，所述电极为磷和氧共掺杂的复合碳素电极。