一種低成本功能化碳氈的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及全釩氧化還原液流電池電極材料領域，具體地說是一種低成本功能化碳氈的制備方法，解決現(xiàn)有技術中存在的碳氈材料電化學活性低、釩離子電對催化性能差、電導率低等問題。以商業(yè)化碳氈為原料，利用化學方法接枝含氧官能團。本發(fā)明制備的功能化碳氈具有良好的電化學催化性能、質子傳導性、電導率、化學穩(wěn)定性和良好的VRB單電池性能等優(yōu)點，且本發(fā)明的制備方法具有操作簡單易行，產品成本低廉，易于產業(yè)化生產和環(huán)境友好等優(yōu)點，可廣泛地應用于全釩氧化還原液流電池領域。
【專利說明】 一種低成本功能化碳氈的制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及全釩氧化還原液流電池01?)電極領域，具體是一種低成本功能化碳氈的制備方法。

【背景技術】
[0002]隨著經濟的快速發(fā)展，新能源材料以其環(huán)境友好、資源豐富等優(yōu)點，引起廣泛關注。但是其中風能、太陽能等可再生能源發(fā)電過程具有不連續(xù)和不穩(wěn)定的缺點，為了解決這個問題必須開發(fā)高效、廉價、污染少和安全可靠的大規(guī)模儲能技術。全釩氧化還原液流電池(乂即)因其功率和能量獨立、循環(huán)壽命長、能量效率高、維護成本低、可快速深度充放電等有點而廣泛地應用于風能、太陽能發(fā)電過程的儲能設備，電站儲能，電網調峰等方面。然而電極材料是制約釩電池發(fā)展的關鍵材料之一，一種好的釩電池電極材料應具備良好的化學穩(wěn)定性、良好的機械性能、優(yōu)越的電化學活性、活性電極反應面積大和成本低廉等優(yōu)點。傳統(tǒng)的金屬材料電化學可逆性差或者易被鈍化，而鉑、銥等貴金屬雖然具有電化學活性高、可逆性好和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是這類金屬高昂的成本制約其大規(guī)模應用?，F(xiàn)階段碳類材料如石墨氈、石墨、碳布和碳纖維等以其良好的穩(wěn)定性和低廉的成本引起廣泛的研宄，是目前應用最多的電極材料，但是這類材料直接應用過程電化學活性低，電池性能差。所以必須對這類材料進行改性處理，以其提高這類材料的電化學活性，但是至今沒有一種合適的改性方法能夠真正解決這類材料存在的問題。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種低成本功能化碳氈的制備方法，解決現(xiàn)有技術中存在的碳氈穩(wěn)定性較差、電導率低、電化學活性低等問題。
[0004]本發(fā)明提出的一種低成本功能化碳氈的制備方法，包括如下步驟:
[0005](1)將干燥處理的碳氈溶于強酸溶液中，常溫浸泡一定時間；
[0006](2)將浸泡后的碳氈進行抽濾處理，反復用去離子水清洗；
[0007](3)將步驟(2)所得的碳氈放入一定量的去離子水中，超聲20111111-50111111，然后加入一定量的對官能團載體，配成質量分數為0.1-5%的溶液，攪拌3-51??；
[0008](4)將一定量的濃鹽酸加入步驟⑶所得溶液中，攪拌；
[0009](5)加熱步驟(4)所得溶液，控制溫度范圍為0?901:，然后加入一定量的亞硝酸鈉，配制0.01-1.5%的溶液，控制溫度范圍為0?90。。，反應2-81 ；
[0010](6)過濾步驟(5)所得溶液，用0.2^01/1-1.511101/1的硫酸錢溶液反復清洗過濾所得沉淀物；
[0011](7)利用去離子水反復清洗步驟(6)所得沉淀物；
[0012](8)將步驟⑵所得沉淀物干燥，得到功能化碳氈。
[0013]進一步地，步驟(1)中強酸為濃硫酸、濃硝酸或濃硫酸與濃硝酸的混合酸。
[0014]進一步地，步驟(1)中，常溫為0-501，浸泡時間為36-4811。
[0015]進一步地，步驟⑶的官能團載體為對氨基苯磺酸、對氨基苯甲酸、對苯二胺、四溴苯胺、對氨基苯硼酸、對氨基苯基膦酸的一種或多種。
[0016]進一步地，步驟(4)中加入濃鹽酸所占體積比為1/50-1/5。
[0017]進一步地，步驟⑶中干燥的溫度范圍是50?1201。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是裝有碳氈和功能化碳氈的單個釩電池充放電循環(huán)圖。

【具體實施方式】
[0019]下面結合實施例對本發(fā)明做進一步描述。
[0020]實施例1
[0021]1.碳氈預處理:將108碳氈在701:下真空干燥處理6小時，然后浸泡在裝有濃硫酸的溶液中，浸泡時間為36-48小時，然后反復用去離子水沖洗處理的碳氈，干燥待用。
[0022]2.功能化碳管的制備方法，包括以下步驟:
[0023](1)將上述碳氈預處理所得的碳氈放入500-1000毫升去離子水中，攪拌20-30分鐘；
[0024](2)然后稱取對氨基苯甲酸，然后攪拌2卜加入川“鹽酸，將上述溶液在30X:水域中加熱處，稱取亞硝酸鈉加入上述溶液中，在301:水域反應211，然后將該碳氈抽濾，反復利用硫酸銨、硫酸和去離子水，然后在501:條件下干燥，得到功能化碳氈。
[0025]本實施例中，獲得的功能化碳氈沒有纖維脫落現(xiàn)象，與源碳氈沒有表觀區(qū)別，相關性能數據如下:
[0026]室溫下測得隔膜在全釩氧化還原液流電池中的內阻為0.45 0/挪2，此比例制備的復合膜面電阻小于原碳租(0.68 ^ /01112), 中的電池性能遠遠高于原碳租，適應乂即的應用要求。
[0027]單個釩電池充放電數據如圖1所示，從圖1可以看出，裝有改性碳氈的單個乂即電池，充放電過程中具有高于裝有原碳氈的庫侖效率，能量效率，其充電曲線和放電曲線間距比原氈小很多，證明該功能化碳氈具有很高的電導率，在釩電池中內阻遠小于原氈。所以，功能化碳氈能夠很好的適應釩電池體系，其低廉的價格，適合大規(guī)模生產以及良好的電池性能能夠促進釩電池的產業(yè)化生產。
[0028]實施例2:
[0029]與實施例1不同之處在于:
[0030]1、碳氈預處理中碳氈質量變?yōu)?0。
[0031]2、采用實施例1以后同樣步驟制備功能化碳氈。
[0032]室溫下測得隔膜在全釩氧化還原液流電池中的內阻為0.65 0/挪2，此比例制備的復合膜面電阻接近原碳氈(0.68 ^ /0.112)，乂即中的電池性能與原碳氈差不多，適應乂即的應用要求。但是多一步化學接枝，成本會有所增加，考慮到產業(yè)化要求成本低性能高的特點，本實施例比例不適合全釩氧化還原液流電池用電極材料工業(yè)化發(fā)展。
[0033]實施例3
[0034]與實施例1不同之處在于:
[0035]1、加入對氨基苯甲酸。
[0036]2、采用實施例1以后同樣步驟制備功能化碳氈。
[0037]制備過程中，由于官能團載體數量低，在相同條件下，反應一段時間后，上面的官能團會發(fā)生交聯(lián)反應，因此室溫下測得隔膜在全釩氧化還原液流電池中的內阻為0.76 0/挪2，此比例制備的復合膜面電阻高于原碳氈(0.68 0/(^2^ 乂即中的電池電壓效率低于原碳氈，但是基本適應的應用要求。本比例制備功能化碳氈的官能團度低，因此電池性能會略低于原碳氈。
[0038]實施例4
[0039]與實施例1不同之處在于:
[0040]1、加入108對氨基苯甲酸。
[0041]2、采用實施例1以后同樣步驟制備功能化碳氈。
[0042]室溫下測得隔膜在全釩氧化還原液流電池中的內阻為0.36 0/挪2，此比例制備的復合膜面電阻低于原碳氈(0.68^/01112)^^中的電池電壓效率高原碳氈，適應的應用要求。本比例制備功能化碳氈的官能團度高，親水性能好，因此電池性能高于原碳氈，但是該比例制備的功能化碳氈需要的官能團載體量較多，提高了產業(yè)成本。
[0043]實施例5
[0044]與實施例4不同之處在于:
[0045]1、功能化碳管的制備步驟(2)中加入亞硝酸鈉后，加熱時間變?yōu)?小時。
[0046]2、采用實施例4以后同樣步驟制備功能化碳氈。
[0047]室溫下測得隔膜在全釩氧化還原液流電池中的內阻為0.66 0/挪2，此比例制備的復合膜面電阻接近原碳氈(0.68 ^ /0.112)，乂即中的電池性能略高于原碳氈，適應乂即的應用要求。本比例制備功能化碳氈的官能團度低于實施例4，其原因是反應時間增加后，官能團交聯(lián)增加。因此功能化碳氈親水性能低于實施例4制備的功能化碳氈。該比例制備的功能化碳氈需要的官能團載體量較多，并且反應時間提高，提高了產業(yè)成本。
[0048]實施例結果表明，本發(fā)明以碳氈為原料，通過化學接枝法，制備功能化碳氈。本發(fā)明制備的功能化碳氈具有良好的電導率、親水性能、電化學性能、釩離子電對催化性能、化學穩(wěn)定性以及單個電池性能良好等優(yōu)點，且本發(fā)明的制備方法操作簡單易行，原料成本低廉，易于產業(yè)化生產以及環(huán)境友好等優(yōu)點，可廣泛地應用于全釩氧化還原液流電池領域。
[0049]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，根據本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種低成本功能化碳氈的制備方法，其特征是，包括如下步驟: (1)將干燥處理的碳氈溶于強酸溶液中，常溫浸泡一定時間； (2)將浸泡后的碳氈進行抽濾處理，反復用去離子水清洗； (3)將步驟(2)所得的碳租放入一定量的去離子水中，超聲20min-50min,然后加入一定量的對官能團載體，配成質量分數為0.1-5%的溶液，攪拌3-5h ； (4)將一定量的濃鹽酸加入步驟(3)所得溶液中，攪拌； (5)加熱步驟(4)所得溶液，控制溫度范圍為O?90°C，然后加入一定量的亞硝酸鈉，配制0.01-1.5%的溶液，控制溫度范圍為O?90°C，反應2-8h.； (6)過濾步驟(5)所得溶液，用0.2mol/L-l.5mol/L的硫酸銨溶液反復清洗過濾所得沉淀物； (7)利用去離子水反復清洗步驟(6)所得沉淀物； (8)將步驟(7)所得沉淀物干燥，得到功能化碳氈。
2.根據權利要求1所述的一種低成本功能化碳氈的制備方法，其特征是，步驟(I)中強酸為濃硫酸、濃硝酸或濃硫酸與濃硝酸的混合酸。
3.根據權利要求1所述的一種低成本功能化碳氈的制備方法，其特征是，步驟(I)中，常溫為0-50 °C，浸泡時間為36-48h。
4.根據權利要求1所述的一種低成本功能化碳氈的制備方法，其特征是，步驟(3)的官能團載體為對氨基苯磺酸、對氨基苯甲酸、對苯二胺、四溴苯胺、對氨基苯硼酸、對氨基苯基膦酸的一種或多種。
5.根據權利要求1所述的一種低成本功能化碳氈的制備方法，其特征是，步驟(4)中加入濃鹽酸所占體積比為1/50-1/5。
6.根據權利要求1所述的一種低成本功能化碳氈的制備方法，其特征是，步驟(8)中干燥的溫度范圍是50?120°C。
【文檔編號】H01M4/86GK104485461SQ201410608137
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權日:2014年11月3日
【發(fā)明者】劉奇 申請人:劉奇