[发明专利]储能液流电池用超亲水材料修饰的电极材料

说明书

本发明涉及超亲水材料修饰的储能液流电池用电极材料及其制备方法和用途，所述电极材料以碳基类材料作为基体，所述基体中包括氧化石墨烯及植酸形成的具有三维结构的氧化石墨烯超亲水材料。所述电极材料中，氧化石墨烯增加了石墨毡纤维的反应活性位点和比表面积，带有六个磷酸基团的植酸交联不同氧化石墨烯层形成三维结构，提高了系统的导电性，同时有利于质子和钒离子在石墨毡上的传输，减少了电荷转移阻力和传质阻力，提高了整个电极的电催化活性，从而极大提高全电池的能量效率和放电容量。

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，特别是全钒液流电池用电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

氧化还原液流电池(RFB)以其独特的性能，灵活的设计在大规模储能技术领域备受瞩目。电解液(电极反应活性物质)储存在电堆的外部储存槽中，通过泵的作用不断将电解液输送到电极的表面发生反应。电池的容量可以简单的由电解槽的尺寸决定。其中，全钒液流电池被认为是最具有应用前景的储能技术之一，它主要由钒电解液、隔膜、电极和集流体等组成。它的正负电解液均使用相同的元素钒，减少了正负电解液的交叉污染，其正极电解液由V(5价)和 V(4价)离子溶液组成，负极电解液由V(3价)和V(2价)离子溶液组成，由离子交换膜(允许质子通过，阻止其它离子迁移)隔开。电池充电后，正极物质为V(5 价)离子溶液，负极为V(2价)离子溶液，电池放电后，正、负极分别为V(4价) 和V(3价)离子溶液，电池内部通过H⁺导电。V(5价)和V(4价)离子在酸性溶液中分别以VO²⁺离子和VO₂⁺离子形式存在。不像其他二次电池(铅酸电池，锂离子电池等)，钒离子反应过程中没有有毒蒸气和气体生成，确保全钒液流电池的安全可靠和环境友好型。同时，由于电解液储存在外部槽中，电池的容量可以快速地恢复通过简单地混合正负电解液。因此，简单的工作原理和灵活的电池结构设计使得全钒液流电池具有低成本，循环寿命长，循环稳定和高效率等优势。钒电池由于在功率、容量方面相互独立等特点常用于大规模可再生风能、太阳能的储能系统以及电网调峰、通信基站供电、军事基地和社区等地方的紧急备用能源。

碳基材料因其成本低，导电性能好，稳定性好和比表面积大等优点，被广泛应用于全钒液流电池等液流电池的电极材料。但是碳基电极由于表面官能团较少而导致电催化活性低，且亲水性能差，从而极大地影响了全钒液流电池的能量效率和循环寿命。

目前，对于提高全钒液流电池电极的电催化活性，主要是对以石墨毡为代表的碳素电极进行各种修饰：(1)对石墨毡进行热处理，酸处理和电化学氧化等，其目的主要是增加石墨毡表面的含氧官能团，以提供钒离子发生氧化还原反应活性位点，但是由于在液流和强酸环境中单纯的氧官能团并不能长存，因此影响电池循环性能。(2)对石墨毡进行杂原子掺杂(N，P等)，其目的是为了在石墨毡的石墨网格中引入缺陷而增加反应的活性位点和造成碳原子周边电子云分布不均而增加其导电性。但由于一些掺杂剂仅仅是大部分物理粘附在碳纤维表面而并没有形成化学键，容易脱落不利于电池长循环，且电极的析氢、析氧现象较为严重。(3)贵金属和贵金属氧化物修饰石墨毡，研究表明一些贵金属和金属氧化物确实能够提高石墨毡电极的电催化活性和可逆性，同时提高析氧电位和降低析氢电位，提升电池的效率。但是制备过程繁琐，且成本过高，并不适用于全钒液流电池的大规模应用。

发明内容

为了改善碳基电极与电解液接触面积不足，进而提高液流电池的电池性能。本发明提出将超亲水材料应用于全钒液流电池电极的概念，并且提出了一种将氧化石墨烯及植酸形成的具有三维结构的超亲水材料用于修饰全钒液流电池碳基类电极材料的方法。本发明通过水热法反应，将氧化石墨烯及植酸在碳基类材料纤维中形成具有三维结构的超亲水材料，减少电解液在碳基类电极材料中的扩散阻力，提高电极的反应活性面积，并有利于增加电极对钒离子的吸附能力，进而提高电极的整体性能。并且本发明电极材料在高温热处理后仍表现出优异的电化学性能。本发明制备工艺简单，成本低，且环境友好，有望大规模应用于全钒液流电池。