液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法
【專利摘要】液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法，涉及蓄電池生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】。先以PAN預(yù)氧化氈為原料，在具有溫度梯度的碳化爐中進行前處理；然后將碳化處理過的PAN預(yù)氧化氈置于活化區(qū)內(nèi)，通入O2或CO2，進行反應(yīng)，在PAN預(yù)氧化氈表面原位生長COOH基團。本發(fā)明實現(xiàn)了碳氈電極制備與改性的一步完成，使碳氈表面形成含氧官能團的種類發(fā)生改變，實現(xiàn)含氧官能團的原位生長。含有不同種類和數(shù)量的含氧官能團的PAN碳氈電極可相應(yīng)地應(yīng)用于不同種類和規(guī)模的液流電池系統(tǒng)。通過對電池性能的綜合評價，可以構(gòu)建含氧官能團的種類和數(shù)量與液流電池性能之間的優(yōu)化匹配關(guān)系，使碳氈電極材料在液流電池中的應(yīng)用達到最佳狀態(tài)。
【專利說明】液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及蓄電池生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化還原液流電池具有電流轉(zhuǎn)換能力好、結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、成本合理、操作簡便等優(yōu)點，是一種適用于大規(guī)模蓄電儲能的新型綠色二次電池。
[0003]目前商業(yè)化的液流電池普遍采用PAN碳氈電極，但由于碳氈的惰性和疏水性還有待提高，因此，針對碳氈的改性已成為提高電極材料性能的重要手段之一。目前國內(nèi)外對PAN碳氈進行改性的主要方法有空氣氧化法、液相氧化法、電化學氧化法等。這些改性方法主要是在碳氈表面增加含氧官能團，可以有助于提高液流電池用PAN碳氈的電化學活性和親水性，進而催化離子電對的氧化還原反應(yīng)，增大電池的能量效率。
[0004]但上述改性措施的共性是以成品碳氈為原材料，其碳纖維表面已經(jīng)完全碳化，使得碳纖維中C的結(jié)構(gòu)和性能均已穩(wěn)定，基于穩(wěn)定C的含氧官能團引入勢必存在局限性。隨著國內(nèi)外液流電池應(yīng)用逐漸增多，對碳氈電極材料的需求量也在逐年增多，亟待從根本上解決碳氈電極材料的改性問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提出一種可使改性后的碳氈電極材料中C的結(jié)構(gòu)和性能相對活性的液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法。
[0006]本發(fā)明包括以下步驟:
1)碳化:以PAN預(yù)氧化氈為原料，在具有溫度梯度的碳化爐中進行前處理；
2)活化:將碳化處理過的PAN預(yù)氧化氈置于活化區(qū)內(nèi)，通入O2或CO2，進行反應(yīng)，在PAN預(yù)氧化氈表面原位生長COOH基團。
[0007]本發(fā)明將溫度梯度的碳化爐碳化后，由活性氣體(O2或CO2)進行活化，使O2或CO2與高活性無定形碳原子發(fā)生反應(yīng)，可以通過調(diào)節(jié)活化氧化氣體的濃度、時間、溫度以及碳纖維質(zhì)量等因素，控制碳被氧化的反應(yīng)程度，使碳氈表面形成含氧官能團的種類發(fā)生改變，實現(xiàn)含氧官能團的原位生長。
[0008]本發(fā)明采用特殊的碳化和活化氧化步驟，實現(xiàn)了碳氈電極制備與改性的一步完成，使碳氈表面形成含氧官能團的種類發(fā)生改變，實現(xiàn)含氧官能團的原位生長。含有不同種類和數(shù)量的含氧官能團的PAN碳氈電極可相應(yīng)地應(yīng)用于不同種類和規(guī)模的液流電池系統(tǒng)。通過對電池性能(主要為電壓效率、能量效率、電流效率)的綜合評價，可以構(gòu)建含氧官能團的種類和數(shù)量與液流電池性能之間的優(yōu)化匹配關(guān)系，使碳氈電極材料在液流電池中的應(yīng)用達到最佳狀態(tài)。
[0009]另，本發(fā)明碳化前所述PAN預(yù)氧化氈的厚度為5?8mm。
[0010]所述碳化時，PAN預(yù)氧化氈經(jīng)過的碳化爐的溫度條件為:先以10°C /min的升溫速度從300°C上升至700°C，然后以5°C /min的升溫速度從700°C上升至900°C，最后以2V /min的升溫速度從900°C上升至1200°C。
[0011]活化時，活化區(qū)內(nèi)的溫度條件為400?900°C。
[0012]活化時，所述O2的直徑< 2nm，所述CO2的直徑為2?50nm。
【具體實施方式】
[0013]一、制備液流電池用碳氈電極材料:
1、碳化:
以厚度為5?8mm的PAN預(yù)氧化氈為原料(PAN預(yù)氧化氈的長度和寬度視生產(chǎn)條件和使用要求而定)。
[0014]將PAN預(yù)氧化氈放入炭化爐中，依次通過300?700°C低溫碳化區(qū)(升溫速度為:IO0C /min),700?900°C中溫碳化區(qū)(升溫速度為:5°C /min)；900?1200°C高溫碳化區(qū)(升溫速度為:2V /min)ο
[0015]取出后自然降溫至900°C以下。
[0016]2、活化:
完成碳化后，將PAN預(yù)氧化氈繼續(xù)進入溫度為400?900°C的活化氧化區(qū)，在該區(qū)域可根據(jù)所需纖維微孔孔徑的大小通入直徑< 2nm的O2或直徑為2?50nm的CO2,并可逐漸增大氧化氣體的濃度、通入時間、溫度來增強活化程度，使碳纖維表面的含氧官能團的主要種類變化依次為-OH — -C=O — C00H。
[0017]二、產(chǎn)品性能分析.對比表:
【權(quán)利要求】
1.液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法，其特征在于包括以下步驟: 1)碳化:以PAN預(yù)氧化氈為原料，在具有溫度梯度的碳化爐中進行前處理； 2)活化:將碳化處理過的PAN預(yù)氧化氈置于活化區(qū)內(nèi)，通入O2或CO2，進行反應(yīng)，在PAN預(yù)氧化氈表面原位生長COOH基團。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法，其特征在于碳化前所述PAN預(yù)氧化租的厚度為5?8mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法，其特征在于所述碳化時，PAN預(yù)氧化氈經(jīng)過的碳化爐的溫度條件為:先以10°C /min的升溫速度從300°C上升至700°C，然后以5°C /min的升溫速度從700°C上升至900°C，最后以2V /min的升溫速度從900°C上升至1200°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法，其特征在于活化時，活化區(qū)內(nèi)的溫度條件為400?900°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法，其特征在于活化時，所述O2的直徑< 2nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述液流電池用碳氈電極材料的一種生產(chǎn)方法，其特征在于活化時，所述CO2的直徑為2?50nm。
【文檔編號】H01M4/88GK103441288SQ201310420991
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】譚毅, 張歡, 施偉, 李佳艷, 李強 申請人:大連理工高郵研究院有限公司