[发明专利]一种高比表面碳纤维毡的种树效应构建方法及其应用

说明书

本发明涉及化学电源以及电化学催化领域，具体是指一种高比表面碳纤维毡的种树效应构建方法及其应用。在碳纤维毡的后处理过程中，通过粘结、生长、沉积的方法将典型的纳米功能材料修饰到碳纤维毡的纤维表面，形成具有较高比表面的碳纤维毡复合电极。这些纳米功能材料就像“种植”在碳纤维表面的“树”一样，不仅可以直接增加碳纤维毡复合电极的表面积，而且其表面丰富的含氧基团也会改善碳纤维毡的润湿性，进而提高其电化学表面积。本发明主要利用典型纳米功能材料的种树效应，使得制备出的碳纤维毡复合电极具有较高的电化学表面积，将该类电极用做钒电池正、负极材料，可以大幅降低钒电池反应过程中的电化学极化，进而提高钒电池充放电性能。

技术领域

本发明涉及化学电源以及电化学催化领域，具体是指一种高比表面碳纤维毡的种树效应构建方法及其在钒电池中的应用。

背景技术

全钒液流电池(Vanadium Flow Battery,VFB)因其使用寿命长、规模大、安全可靠等突出优势，成为规模储能的首选技术之一，但现阶段其较高的储能价格限制钒电池技术的进一步推广。除进一步降低钒电池的关键材料成本外，进一步提高钒电池性能，进而提高单堆功率是降低钒电池储能成本的重要途径。

电极作为钒电池电极反应发生的场所，是决定电池性能与寿命的关键材料之一。聚丙烯腈(PAN)基碳毡因其低廉的价格和较高的稳定性已成为钒电池储能系统的首选材料，然而其较低的电化学活性和表面积成为进一步提高钒电池性能及降低其成本的限制性因素。近年来，大量的研究者致力于电极材料活性的提高，尽管取得一定的成果，然而截止到目前，仍然没有可供规模生产的改性手段来有效提高钒电池的活性，没有为钒电池的工程化推广提供经济效益。

实际上，目前商用PAN基碳纤维毡的比表面仅为0.05～0.5m²·g^-1，而其他常用碳材料的比表面均为几百甚至上千m²·g^-1，如果可以通过种树、挖坑等手段将其表面积提高到50甚至100m²·g^-1左右，那么同样电流下它的电流密度将会降低到目前的1％以下。考虑到在相当大的电流密度范围(40～200mA·cm^-2)内，钒电池能量效率与电流密度之间近似呈线性关系，即每提高10mA·cm^-2能量效率会降低1.3％左右，那么表面积近百倍的提升理论上可将能量效率提高10％以上。因此，认为提升电极面积对于钒电池性能的提高也许更有意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高比表面碳纤维毡的种树效应构建方法及其在钒电池中的应用，在碳纤维毡后处理工艺的基础上，对现有工艺进行适当改进，通过粘结、生长、沉积的方法将碳纳米管、碳纳米壁、碳纳米纤维、纳米氧化石墨烯等典型功能性基团种植在碳纤维丝表面，形成具有较高比表面的碳纤维毡复合电极，将该高比表面碳纤维毡应用于钒电池电极可以大幅降低钒电池反应过程中的电化学极化，进而提高钒电池充放电性能。

本发明的技术方案是：

一种高比表面碳纤维毡的种树效应构建方法，在碳纤维毡的后处理过程中，将碳纳米管、碳纳米壁、碳纳米纤维或纳米氧化石墨烯典型功能性基团通过生长、沉积或粘结的方法种植在碳纤维毡的碳纤维丝表面，形成具有较高比表面的碳纤维毡复合电极；碳纤维毡后处理之前的比表面为0.1～1.0m²·g^-1，接触角为100～120°，制备得到的高比表面碳纤维毡的比表面为50～100m²·g^-1，接触角为50～80°。

所述的高比表面碳纤维毡的种树效应构建方法，所选择的碳纤维毡为聚丙烯腈基石墨毡、粘胶基石墨毡、纤维素基石墨毡、沥青基石墨毡中的任意一种；或者，聚丙烯腈基碳毡、粘胶基碳毡、纤维素基碳毡、沥青基碳毡中的任意一种，厚度为1～10mm。

所述的高比表面碳纤维毡的种树效应构建方法，优选的，碳纤维毡为聚丙烯腈基石墨毡，厚度为3～6mm。