一种全钒电池改性碳毡电极材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种全钒电池改性碳毡电极材料的制备方法，包括将聚丙烯腈基石墨毡在无水乙醇溶液和去离子水中分别超声，然后放置在马弗炉当中干燥，然后升温至一定温度，在空气条件下热处理，浸泡在三氧化二铋(Bi2O3)溶液中，捞出后放置在烘箱当中，在空气条件下加热干燥，然后再浸泡在多巴胺溶液当中，加入缓冲剂，使多巴胺开始聚合，搅拌反应一段时间后，用去离子水洗涤，放置在管式炉中，在氮气氛围下，烧培炭化，得到改性碳毡电极。该碳毡电极材料具有优异的电化学性能和电导率。

说明书

技术领域

本发明属于全钒液流电池电极领域，具体涉及一种全钒电池改性碳毡电极材料的制备方法。

背景技术

聚丙烯腈基石墨毡(碳毡)是当前全钒液流电池中最普遍使用的电极材料。碳毡是一种三维的多孔材料，不会对电解液的流动产生较大的压力，有利于活性物质的传导。但其本身较差的亲水性能和电化学性能制约了未处理碳毡的大规模商业化使用。因此自碳毡作为全钒液流电池的电极材料被广泛运用以来，针对碳毡的改性方法被不断研究，包括热处理法、酸处理法、电化学氧化法、金属离子掺杂改性、非金属元素掺杂改性、碳碳复合改性和高分子聚合物掺杂改性等。

中国专利201610159140.2公开了一种液流电池电极材料的制备方法，特别涉及全钒液流电池用电极材料的制备方法。该方法的实现过程为：将碳素类材料浸入到一定浓度的含氮类原料中，经超声、干燥处理得到一种目标电极的前驱体，然后高温碳化上述前驱体，即得目标电极。如此经过修饰的电极材料其表面的含氮官能团得到了大幅度提升，其电化学活性和导电性都得到了提高，减小了全钒液流电池用电极的反应内阻，同时增加了电极与电解液的反应活性位点，但是，依然存在全钒液流电池的电压效率和能量效率较低的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种全钒电池改性碳毡电极材料的制备方法，其制备方法包括：

S1：将聚丙烯腈基石墨毡在无水乙醇溶液和去离子水中分别超声30min，然后放置在马弗炉当中在120℃的空气条件下干燥4h，然后以升温速率为2℃/min，升至500～600℃，在空气条件下热处理6h。

S2：将步骤S1得到的浸泡在三氧化二铋(Bi

S3：将多巴胺溶解于去离子水中，然后将步骤S2的掺杂碳毡浸泡在多巴胺溶液当中，在真空、室温环境下浸泡4～6h，然后加入60～80μL的缓冲剂，使多巴胺开始聚合，搅拌反应5h后，用去离子水洗涤，然后放置在管式炉中，在氮气氛围下，600～900℃烧培炭化2～6h，得到改性碳毡电极。

作为优选方案，上述步骤S2所述的Bi

作为优选方案，上述步骤S2所述的三氧化二铋溶液为三氧化二铋盐酸或硫酸溶液中的任意一种。

作为优选方案，上述步骤S2所述的加热温度为90～110℃。

作为优选方案，上述步骤S2所述的加热时间为4～8h。

作为优选方案，上述步骤S3中所述的多巴胺与去离子水的重量比为1:0.5～1.6。

作为优选方案，上述步骤S3中所述的缓冲剂为三-(羟甲基)-氨基甲烷。

作为优选方案，上述步骤S3中所述的烧培炭化温度为600～800℃。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明所制备的全钒电池改性碳毡电极材料，采用三氧化二铋掺杂聚丙烯腈基石墨毡，在掺杂过程中使用Bi

(2)本发明所制备的全钒电池改性碳毡电极材料，在通过Bi

(3)本发明所制备的全钒电池改性碳毡电极材料，在经过Bi

附图说明

图1为本发明制备改性碳毡电极材料工艺图；

图2为本发明实施例1所制备改性碳毡电极材料的CV曲线图谱；

具体实施方式

下面对本发明实施例作具体详细的说明，本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。

实施例1

一种全钒电池改性碳毡电极材料，具体制备步骤包括：

S1：将聚丙烯腈基石墨毡在无水乙醇溶液和去离子水中分别超声30min，然后放置在马弗炉当中在120℃的空气条件下干燥4h，然后以升温速率为2℃/min，升至500℃，在空气条件下热处理6h。

S2：将步骤S1得到的浸泡在α型Bi

S3：将多巴胺溶解于去离子水中，其中多巴胺与去离子水的重量比为1:0.5，然后将步骤S2的掺杂碳毡浸泡在多巴胺溶液当中，在真空、室温环境下浸泡4h，然后加入60μL的三-(羟甲基)-氨基甲烷缓冲剂，使多巴胺开始聚合，搅拌反应5h后，用去离子水洗涤，然后放置在管式炉中，在氮气氛围下，600℃烧培炭化2h，得到改性碳毡电极。

实施例2

一种全钒电池改性碳毡电极材料，具体制备步骤包括：

S1：将聚丙烯腈基石墨毡在无水乙醇溶液和去离子水中分别超声30min，然后放置在马弗炉当中在120℃的空气条件下干燥4h，然后以升温速率为2℃/min，升至600℃，在空气条件下热处理6h。

S2：将步骤S1得到的浸泡在α型Bi

S3：将多巴胺溶解于去离子水中，其中多巴胺与去离子水的重量比为1:1.6，然后将步骤S2的掺杂碳毡浸泡在多巴胺溶液当中，在真空、室温环境下浸泡6h，然后加入80μL的三-(羟甲基)-氨基甲烷缓冲剂，使多巴胺开始聚合，搅拌反应5h后，用去离子水洗涤，然后放置在管式炉中，在氮气氛围下，900℃烧培炭化6h，得到改性碳毡电极。

实施例3

一种全钒电池改性碳毡电极材料，具体制备步骤包括：

S1：将聚丙烯腈基石墨毡在无水乙醇溶液和去离子水中分别超声30min，然后放置在马弗炉当中在120℃的空气条件下干燥4h，然后以升温速率为2℃/min，升至500℃，在空气条件下热处理6h。

S2：将步骤S1得到的浸泡在β型Bi

S3：将多巴胺溶解于去离子水中，其中多巴胺与去离子水的重量比为1:0.6，然后将步骤S2的掺杂碳毡浸泡在多巴胺溶液当中，在真空、室温环境下浸泡5h，然后加入75μL的三-(羟甲基)-氨基甲烷缓冲剂，使多巴胺开始聚合，搅拌反应5h后，用去离子水洗涤，然后放置在管式炉中，在氮气氛围下，800℃烧培炭化3h，得到改性碳毡电极。

实施例4

一种全钒电池改性碳毡电极材料，具体制备步骤包括：

S1：将聚丙烯腈基石墨毡在无水乙醇溶液和去离子水中分别超声30min，然后放置在马弗炉当中在120℃的空气条件下干燥4h，然后以升温速率为2℃/min，升至500℃，在空气条件下热处理6h。

S2：将步骤S1得到的浸泡在σ型Bi

S3：将多巴胺溶解于去离子水中，其中多巴胺与去离子水的重量比为1:0.6，然后将步骤S2的掺杂碳毡浸泡在多巴胺溶液当中，在真空、室温环境下浸泡5h，然后加入75μL的三-(羟甲基)-氨基甲烷缓冲剂，使多巴胺开始聚合，搅拌反应5h后，用去离子水洗涤，然后放置在管式炉中，在氮气氛围下，800℃烧培炭化3h，得到改性碳毡电极。

性能测试实验：

将实施例1所制备的改性碳毡电极材料通过电化学工作站进行测试，并用三级体系作为测试装置，选取饱和甘汞电极作参比电极，扫描速率为1mV s

将实施例1所制备的碳毡为电池正极负极，Nafion115型离子交换膜为隔膜，组装成全钒液流电池，其中正极电解液为20mL1.5mol/L VO

表1测试结果

该电极材料在电流密度为60mA/cm

需要特别说明的是，其余实施例所制备的碳毡材料具有与实施例1制备材料相同或相近的性能，不在此一一赘述。