[发明专利]全钒液流电池用多孔碳纤维纸电极材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及全钒液流电池用多孔碳纤维纸电极材料及其制备和应用，包括以下步骤：首先，将氯化铌溶解在乙醇中并搅拌，随后，加入二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯溶液并再搅拌，得到前体溶液；利用水平超声喷雾热解沉积工艺将前体溶液沉积在粗电极表面；粗电极是将多孔碳纤维纸热处理后，再浸渍在装用培养有真菌的液体培养基一段时间，取出后经退火工艺制得。本发明技术方案中，双层结构实现对皱纹状碳的包覆，防止皱纹状碳在流动的电解液中的浸出，该阳极使用通过简单且低成本的水平超声喷雾热解沉积制造，层压层的结构能够防止碳层的脱落，有助于充电/放电过程中的能量存储效率。

技术领域

本发明属于液流储能电池技术领域，具体地，涉及全钒液流电池用多孔碳纤维纸电极材料及其制备和应用。

背景技术

不断增加的全球能源消耗加速了对可持续能源的需求。随着对化石燃料限制的增加，包括氧化还原液流电池、燃料电池和锂离子电池在内的可充电储能市场的增长受到了极大关注。因此，必须提高电化学储能技术的性能，以解决未来的能源问题。电化学储能装置具有高效、环保、能量密度可控等关键优势。迄今为止，各种类型的液流电池由于其长期可循环性，已开发出铁铬液流电池、锌溴液流电池和钒氧化还原液流电池等。

特别是钒液流电池(VRFB)，它被认为是下一代储能系统的重要候选者。VRFBs具有容量设计灵活、安全性高、效率高、循环寿命长等优点。通过调整电解质的量，可以根据应用类型轻松控制VRFB的容量。此外，由于在电池的阳极电解液和阴极电解液中使用了钒化学物质(阳极电解液的V²⁺/V³⁺溶液，阴极电解液的VO₂⁺/VO²⁺溶液)，VRFB系统减轻了交叉污染问题。作为大规模储能系统的应用领域，VRFB凭借其不可燃性和长期可循环性以及有利的平准化电成本(LCOE)，迅速替代传统锂离子电池。这些优势促进了VRFB市场的商业化，以及相关技术的发展。

电极材料作为全钒液流电池的重要组成部分，为了提高VRFB的储能性能，电极材料必须具有高孔隙率、机械和化学稳定性以及高导电性。多孔碳纤维纸由于其高孔隙率、良好的电子导电性、低成本和优异的电化学稳定性而成为代表性的电极材料,电极材料的形态影响在电极表面发生的电化学反应期间的动力学性质。由于多孔碳纤维纸电极是疏水性的，对钒氧化还原反应的催化活性不能令人满意。

发明内容

本发明的目的在于提供全钒液流电池用多孔碳纤维纸电极材料及其制备和应用，通过在多孔碳纤维纸上浸渍黑曲霉，利用黑曲霉在生长过程中产生大量喷射速度快、临界运动距离大的多糖包裹孢子，退火后，实现在多孔碳纤维纸的孔隙内生成皱纹状碳，提高了钒离子氧化还原的催化活性，且引入了碳、氧、氮、磷和硫元素，增加多孔碳纤维纸的电解质润湿性，通过Nb掺杂TiO₂层压层覆盖的多孔碳纤维纸负载皱纹状碳，避免了皱纹状碳在流动电解质中的脱落问题，且进一步增加孔碳纤维纸的润湿性。

解决了现有技术中存在的的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

全钒液流电池用多孔碳纤维纸电极材料的制备，包括以下步骤：

S1、首先，将2.025g氯化铌(纯度＞99％)溶解在300mL乙醇中并搅拌2h。随后，加入9mL二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯(纯度为75wt.％inisopropanol)溶液并再搅拌2小时，得到前体溶液；

S2、利用水平超声喷雾热解沉积工艺将前体溶液沉积在粗电极表面；

对于水平超声喷雾热解沉积工艺，将粗电极放置在清洁的玻璃支架上，并在420℃的加热室中将超声雾化(1.6MHz)前体溶液热沉积在粗电极基板上，以空气为载气，流速为15L/min，支架转速固定为5rpm，将铌掺杂TiO₂颗粒沉积在粗电极基底上60分钟，得到全钒液流电池用多孔碳纤维纸电极材料。