一种纸基全钒液流电池电极材料及其制备和应用

摘要

本发明涉及一种纸基全钒液流电池电极及其制备和应用，通过将工业滤纸经酸洗、碱洗后高温热处理和活化处理制备而成。由于选择工业滤纸作为前驱体，与聚丙烯腈基碳纤维毡相比，电极材料成本可大幅度降低；而且具有较薄的厚度从而具有较低的本体电阻，进而降低全钒液流电池的欧姆极化，提高全钒液流电池的电压效率和能量效率。

权利要求

1.一种纸基电极材料在全钒液流电池中的应用，其特征在于，所述纸基电极材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将工业滤纸浸入0.1‑1M 盐酸溶液中浸泡2‑20 h，然后放入0.1‑1 M NaOH溶液中浸泡2‑20 h 后取出干燥；

（2）将干燥后的滤纸在1800 3000℃下于惰性气氛或真空中进行热处理，处理时间为~

5min 1h；

~

（3）将热处理后的滤纸在400 600℃下于含氧气氛中进行热处理，处理时间为0.5h~ ~

30h；

所述工业滤纸的平均孔径为30‑150 µm，孔隙率为50‑95%，所述工业滤纸的厚度为0.2‑

1 mm。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述滤纸为工业滤纸，工业滤纸的平均孔径为80‑120µm；孔隙率为75‑95%。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述惰性气氛的气体为氮气、氩气或氦气中的一种或二种以上。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述含氧气氛中氧的摩尔含量为5%以上。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述步骤（3）的处理时间为0.5h 5h。

~

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述含氧气氛为空气气氛。

说明书

一种纸基全钒液流电池电极材料及其制备和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及化学储能技术中的液流储能电池领域，特别涉及全钒液流电池的电极。

背景技术

[0002] 全钒液流电池因其具有输出功率和容量相互独立，系统设计灵活；能量效率高，寿命长，运行稳定性和可靠性高，自放电低；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低，安
全性高等优点，在规模储能方面具有广阔的发展前景，被认为是解决太阳能、风能等可再生
能源发电系统随机性和间歇性非稳态特征的有效方法，在可再生能源发电和智能电网建设
中有着重大需求。

[0003] 目前，全钒液流电池储能技术已经初步实现产业化，但还需要进一步提高其性能、降低成本，以推动其产业化进程。为满足该目标，一方面可通过提高VFB的功率密度，即提高
全钒液流电池的工作电流密度，降低单位千瓦电池材料用量来降低系统成本，另一方面需
要通过降低电池关键材料的成本来实现。

[0004] 电极作为全钒液流储能电池的关键部件之一，为正负极氧化还原反应提供反应场所，要求其具有优异的导电性、电催化性能、稳定性和机械强度。现有技术中的全钒液流电
池电极材料通常是将聚丙烯腈针刺原毡经空气预氧化或将聚丙烯腈预氧丝针刺成毡后，再
经碳化、石墨化制成，碳化得率为50‑60％，昂贵的原材料使得其成本较高，不利于全钒液流
电池系统成本降低；而且制备的石墨毡电催化活性差，导致电池的电化学极化较大。

发明内容

[0005] 为降低全钒液流电池电极材料的成本，本发明提供一种全钒液流电池用电极材料的制备方法，以价廉易得的工业滤纸作为前驱体，通过酸洗、碱洗除去滤纸中的灰分，继而
高温热处理和活化处理制备而成。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 一种纸基全钒液流电池电极材料的制备方法，包括如下步骤：

[0008] (1)将工业滤纸浸入0.1‑1M盐酸溶液中浸泡2‑20h，然后放入0.1‑1MNaOH溶液中浸泡2‑20h后取出干燥；

[0009] (2)将干燥后的滤纸在1800～3000℃下于惰性气氛或真空中进行热处理，处理时间为5min～1h；

[0010] (3)将热处理后的滤纸在400～600℃下于含氧气氛中进行热处理，处理时间为0.5h～30h，优选的处理时间为0.5h～5h。

[0011] 其中，所述滤纸为工业滤纸，工业滤纸的平均孔径为30‑150μm，优选的为80‑120μm；孔隙率为50‑95％，优选的为75‑95％。

[0012] 所述工业滤纸的厚度为0.2‑1mm。

[0013] 所述惰性气氛的气体为氮气、氩气或氦气中的一种或二种以上。

[0014] 所述含氧气氛中氧的摩尔含量为5％以上，优选空气气氛。

[0015] 所述电极材料可应用于全钒液流电池、锌溴液流电池、锌铁液流电池、锌碘液流电池、多硫化钠溴液流电池或锌镍液流电池的电极中，优选全钒液流电池电极中，可替代碳
毡、石墨毡、碳纸或碳布等常见碳素类材料。

[0016] 本发明具有如下优点：

[0017] (1)采用本发明的电极材料，由于滤纸的厚度为0.2‑1mm，可获得较薄的电极厚度，即较小的极间距，从而可以减小电池的欧姆极化，提高全钒液流电池的电压效率和能量效
率。

[0018] (2)采用本发明的电极材料，由于工业滤纸的低成本，与全聚丙烯腈基碳纤维毡相比，电极材料成本可大幅度降低。

[0019] (3)本发明的电极材料制备方法简单，对设备无特殊要求，可利用现有技术的生产装置，具有较高实用价值，易于批量生产。

附图说明

[0020] 图1是采用本发明实施例1中制备的纸基电极的SEM照片。

[0021] 图2是采用本发明实施例1中制备的纸基电极的全钒液流单电池在80mA/cm2时的充放电曲线。

具体实施方式

[0022] 下面通过具体实施例详述本发明。

[0023] 实施例1

[0024] 将0.5mm厚、孔径在80‑120μm的工业滤纸在0.1M盐酸溶液中浸泡10h，然后取出放入0.1M NaOH溶液中浸泡10h后取出干燥。继而将其在2200℃下于氮气气氛中进行热处理，
升温速率为5℃/min，高温处理时间为30min；最后，将其在450℃下于空气气氛中进行活化
处理，处理时间为1h；制得最终的碳纤维纸电极材料。其SEM照片如图1所示，完整的孔结构
能够保持下来。

[0025] 从实施例1中制备的碳纤维纸电极材料上切取尺寸为8cm×6cm的碳纤维纸作为电2+
极，组装成单电池，进行充放电性能测试。正极电解液为1.5M VO 的3M H2SO4溶液60ml，负
3+ 2
极电解液为1.5M V 的3M H2SO4溶液60ml，离子交换膜为Nafion115膜。其在80mA/cm时的充
放电曲线如图2所示，从中可以看出，本实施例制备的碳纤维纸电极用于全钒液流电池中能
够进行充放电。

[0026] 实施例2

[0027] 将0.3mm厚、孔径在80‑120μm的工业滤纸在1M盐酸溶液中浸泡5h，然后取出放入1M NaOH溶液中浸泡5h后取出干燥。继而将其在1800℃下于氮气气氛中进行热处理，升温速率
为5℃/min，高温处理时间为30min；最后，将其在400℃下于空气气氛中进行活化处理，处理
时间为2h；制得最终的碳纤维纸电极材料。

[0028] 实施例3

[0029] 将0.5mm厚、孔径在80‑120μm的工业滤纸在0.5M盐酸溶液中浸泡10h，然后取出放入0.5M NaOH溶液中浸泡10h后取出干燥。继而将其在2800℃下于氮气气氛中进行热处理，
升温速率为5℃/min，高温处理时间为30min；最后，将其在500℃下于空气气氛中进行活化
处理，处理时间为1h；制得最终的碳纤维纸电极材料。