一种利用废弃纤维制作的电极材料及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种利用废弃纤维制作的电极材料，应用于电化学反应上的一种电极材料领域，包括基础原料，所述基础原料是废弃纤维原料经过高温煅烧后碳化的纤维材料，高温煅烧是在真空炉或惰性气氛保护下进行，并且经过最终表面处理，而所述基础原料是聚丙烯氰纤维、沥青纤维、粘胶纤维、预氧丝、酚醛纤维、碳纤维、石墨纤维、木质纤维、棉纤维的其中一种或其中多种组成。依照本发明的电极材料，由于采用废弃纤维来制作，降低了成本，提高企业的效益和产品的竞争力，但同时还具有高导电性和高电化学活性。
【专利说明】一种利用废弃纤维制作的电极材料及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种废弃纤维材料的应用，具体涉及一种采用废弃纤维制作的应用在电化学反应上的电极材料以及这种电极材料的加工制造方法。
【背景技术】
[0002]电极材料被广泛的应用于电池、水处理、海水淡化、电镀、冶金等领域，主要用做电化学反应的电极。但随着产品应用范围的扩大和普及，对设备的性能和结构要求越来越苛亥|J，越来越复杂，包括要求具备更高的反应温度、耐更强的腐蚀、更大的体积、更轻的重量、更大的容量、更高的功率、更高的效率和其它技术优点。例如在液钒电池的制造过程中，需要更大的尺寸，更高的效率、更大的容量，那么对生产这种电池的电极就提出更高的要求。如果电极的导电性、电化学活性不能满足要求，那么不管用再好的电解液也生产不出高效的电池，而这其中最关键的就是电极材料的选择，然而，目前国内厂家主要采用的是传统的电极材料或十分昂贵的进口材料。传统材料价格便宜，但是效率很低，而且无法突破技术瓶颈；而进口材料十分昂贵，而且效率也没有提高很多，所以亟待被提供一种性价比高、物美价廉的电极材料。
[0003]传统电极材料主要采用国产氰纶作为主要原料，用这种原料制造的电极材料具有明显的问题和局限性:包括
1.纤维直径大，相同尺寸的情况下，纤维数量少，比表面积小；
2.面密度大，单位成本高；
3.没有进行最终表面处理，电化学活性小；
4.结构不适合做电极材料，内阻较大；
5.杂质多，电化学副反应多。
[0004]基于现有技术的电极材料以上几种性能的缺点，因此一种性价比高、物美价廉的电极材料就为电极材料领域所需求。
【发明内容】
[0005]针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种新型的电极材料，采用废弃纤维为原料，开发了结构特殊、高导电、高纯度、高活性的一种新型电极材料，以解决现有技术的技术问题。
[0006]本发明的又一目的是提供一种电极材料的制造方法，以解决现有技术的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案:
一种利用废弃纤维制作的电极材料，应用于电化学反应上的一种电极材料领域，包括基础原料，所述基础原料是废弃纤维原料经过高温煅烧后碳化的纤维材料，高温煅烧是在真空炉或惰性气氛保护下进行，并且经过最终表面处理。
[0008]依照本发明较佳实施例所述的一种利用废弃纤维制作的电极材料，所述基础原料为聚丙烯氰纤维、浙青纤维、粘胶纤维、预氧丝、酚醛纤维、碳纤维、石墨纤维、木质纤维、棉纤维的其中一种或其中多种组成。
[0009]依照本发明较佳实施例所述的一种利用废弃纤维制作的电极材料，所述电极材料的密度控制在0.08?0.12 g/cm3。
[0010]依照本发明较佳实施例所述的一种利用废弃纤维制作的电极材料，所述电极材料的结构是毡状或者是布状的。
[0011]依照本发明较佳实施例所述的一种利用废弃纤维制作的电极材料，所述电极材料的纤维取向在厚度方向的纤维数量大于2%。
[0012]一种利用废弃纤维制作复合保温材料的制造方法，包括:
步骤1:将废弃纤维原料进行整理；
步骤2:进行预氧化处理；
步骤3:进行卷曲处理；
步骤4:进行短切、开松、梳理处理；
步骤5:形状加工处理；
步骤6:进行碳化处理；
步骤7:进彳了石墨化处理；
步骤8:进行最终表面处理、加入催化剂。
[0013]依照本发明较佳实施例所述的制造方法，步骤4中，开松处理和梳理处理之间，还有一加入混杂纤维和防极化材料的步骤4-1。
[0014]依照本发明较佳实施例所述的制造方法，步骤5中的形状加工是针刺成毡。
[0015]依照本发明较佳实施例所述的制造方法，步骤5中的形状加工是纺纱或编织成布 本申请的电极材料具有显著的特点:这种电极材料在电化学反应过程中，具有很好的
耐酸碱腐蚀性和耐高温性能，并且具有很好的导电性和电化学活性，是各种电化学反应尤其是电池反应的理性电极材料。而且可广泛应用于各种电化学反应场合，如液流电池、超级电容器、钠硫电池、锂电池、锂硫电池、水处理、海水淡化等领域。用来代替传统的石墨材料或金属材料，可以有效减轻电池的重量和提高电池的储能效率以及减少重金属的污染。整体来说，与传统的电极材料相比，本申请的电极材料最大的不同在于其具有高导电性同时具有高电化学活性。
[0016]由于采用了以上的技术使得本发明相比现有技术，具有以下的优点和积极效果: 第一、本发明的电极材料，由于采用废弃纤维来制作，降低了成本，提高企业的效益和
产品的竞争力；
第二、；经过最终表面处理，电化学活性高，在相同电流密度的情况下获得更高的功率，或者在相同的功率下获得更高的电流密度，从而提高设备的效率；并且具有更细的纤维直径，更高的比表面积；
第三、结构内阻很小；在常温有氧环境中是惰性的，在电化学反应过程中，具有很好的耐酸碱腐蚀性和耐高温性能耐化学腐蚀。
[0017]第四、密度流体阻力很小；结构、密度和活性可以设计，可以适用于不同的反应场
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[0018]第五、杂质少，副反应少；在有氧环境中，温度350度以下，不会发生化学反应；而且质轻，操作简单，减少劳动负荷。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为碳纤维的结构示意图；
图2为石墨烯单层结构示意图；
图3为本发明的一种采用废弃PAN纤维制造电极材料的流程图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
[0021]本发明的核心思想在于，采用废弃纤维作为原料，制作一种新型电极材料，有效的提高和超越了传统电极材料的性能，同时提供一种制作新型电极材料的方法，这种新型电极材料可以根据实际的设计要求调节其结构、密度和活性，从而使用不同场合的应用。为开发重量轻、体积大、效率高、性能佳、成本低的电化学反应设备做出了很大的贡献。尤其是经过混杂填充了陶瓷纤维、石墨烯或其它材料的复合产品，可以有效阻止由于电化学作用相对于电子运动的迟缓性改变了原有的电偶层而引起的电化学极化。
[0022]本申请提供 一种利用废弃纤维制作的电极材料，应用于电化学反应上的一种电极材料领域，这种电极材料包括基础原料，所述基础原料是废弃纤维原料经过高温煅烧后可以碳化的纤维材料，高温煅烧是在真空炉或惰性气氛保护下进行，并且可以经过反复处理。可以拿来作为基础原料的是聚丙烯氰纤维、浙青纤维、粘胶纤维、预氧丝、酚醛纤维、碳纤维、石墨纤维、木质纤维、棉纤维的其中一种或其中多种组成。
[0023]另外，本申请的电极材料的密度根据要求设计的，一般密度控制在0.08~0.12g/cm3 ;而结构可以是毡状的也可以是布状的；其中的纤维取向可以根据需要设计，一般厚度方向的纤维数量占2%以上，在显微镜观测下，本申请电极材料所用纤维直径是现有技术电极材料所用纤维的1/2。
[0024]如面提到的石墨纤维可以是浙青基、PAN基、粘I父基和酌'!^基的其中一种；而石墨纤维的形状可以是长纤维、短纤维、研磨纤维、布、毡和纸的其中一种或其中多种组成。而做出来的电极材料的密度可以根据要求设计成0.08~0.12 g/cm3。
[0025]碳纤维、石墨纤维是一种特殊的材料，请参考图1为碳纤维的结构示意图；应用在电极材料中的碳纤维或石墨纤维，经过刀具或气体破碎机破碎处理的短纤维、纤维粉体或两者的混合，这种材料在纤维直径方向和纤维长度方向的传导系数具有很大的差异性，在高精度显微镜下是液晶结构，具有性能的各向异性。值得注意的是，由于这种材料在性能上的特殊性，所以可以根据纤维方向来调节电极材料的导电方向。应用在新型电极材料中的碳纤维或石墨纤维的分布是根据具体的成型工艺决定纤维的排布方向，一部分按照设计要求取向，一部分是杂乱无章分布的，总体是种立体网状结构，主要的传导方式是靠纤维搭接和介质传递共同实现的。可以通过调整取向纤维和杂乱纤维的比例来调整电极材料的性倉泛。[0026]石墨烯也是一种特殊的材料，请参考图2为石墨烯单层结构示意图，石墨烯是从石墨中剥离出的石墨片，是仅由一层碳原子构成的薄片，明显比传统的鳞片石墨或其他石墨材料要薄，性能也明显不同，是完全不同的两种物质。这种材料在垂直鳞片方向和平行鳞片方向的传导系数具有很大的差异性。
[0027]与现有技术的电极材料相比，本申请中的电极材料最大的不同在于本申请的新型电极材料，尤其是经过最终表面处理的材料，具有很高的电化学活性，这种最终表面处理可以物理的也可以是化学的。碳纤维、石墨纤维是一种特殊的材料，这种材料在经过最终表面处理后，纤维表面可以形成微孔，并可以嫁接有效官能团或催化剂，可以有效提高电化学活性，而且这种活性点是永久存在的。
[0028]以下，则结合流程图，对举例以废弃PAN纤维为原料来制造电极材料的工艺方法做出说明。
[0029]实施例一
如上所述，构成本发明新型电极材料的一种基础原料是废弃PAN纤维。以下是一种制作以废弃PAN纤维为原料的新型电极材料的方法。
[0030]请参考图3，本实施例为一种采用废弃PAN纤维为原料来制造电极材料的流程图，可见，主要包括以下的步骤，包括:
S201:将废弃PAN纤维原料进行整理；
将废弃的PAN纤维整理成束，上轴，备用。
[0031]S202:进行预氧化处理；
将整理成轴的PAN纤维，放入预氧化炉内进行预氧化，收轴。
[0032]S203:进行卷曲处理；
将收轴的预氧丝放入卷取机进行卷曲。
[0033]S204:将卷曲好的预氧丝进行短切、开松、加入混杂纤维和防极化材料、梳理处理；
将卷曲好的预氧丝放入短切机上短切成需要的长度，然后放上开松机进行开松处理，在开松过程中加入特定长度和品种的混杂纤维，还有加入防极化材料。尤其是经过混杂填充了陶瓷纤维、石墨烯或其它材料的复合产品，可以有效阻止由于电化学作用相对于电子运动的迟缓性改变了原有的电偶层而引起的电化学极化，最后放入梳理机进行梳理处理。
[0034]S205:形状加工处理；
形状加工是针刺成毡的形状或者是纺纱或编织成布的形状。
[0035]S206:进行碳化处理；
进行高温煅烧，高温煅烧是在真空炉或惰性气氛保护下进行的高温煅烧。
[0036]S207:进行石墨化处理；
将碳化的毡或布放入石墨炉内进行石墨化处理，处理过程可以根据需要控制在不同的温度范围内。
[0037]S208:进行最终表面处理、加入催化剂。
[0038]可以物理的也可以是化学的。PAN纤维是一种特殊的材料，这种材料在经过最终表面处理后，纤维表面可以形成微孔，并可以嫁接有效官能团或催化剂，加入催化剂可以有效提高电化学活性，而且这种活性点是永久存在的。[0039]由于采用了以上的技术使得本发明相比现有技术，具有以下的优点和积极效果: 第一、本发明的电极材料，由于采用废弃纤维来制作，降低了成本，提高企业的效益和
产品的竞争力；
第二、经过最终表面处理，电化学活性高，在相同电流密度的情况下获得更高的功率，或者在相同的功率下获得更高的电流密度，从而提高设备的效率；并且具有更细的纤维直径，更高的比表面积；
第三、结构内阻很小；在常温有氧环境中是惰性的，在电化学反应过程中，具有很好的耐酸碱腐蚀性和耐高温性能耐化学腐蚀。
[0040]第四、密度流体阻力很小；结构、密度和活性可以设计，可以使用不同的反应场合。
[0041]第五、杂质少，副反应少；在有氧环境中，温度350度以下，不会发生化学反应；而且质轻，操作简单，减少劳动负荷。
[0042]第六、加入了防极化材料，可以有效防止电化学反应的极化现象。
[0043]依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属【技术领域】技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
【权利要求】
1.一种利用废弃纤维制作的电极材料，应用于电化学反应上的一种电极材料领域，其特征在于，包括基础原料，所述基础原料是废弃纤维原料经过高温煅烧后碳化的纤维材料，高温煅烧是在真空炉或惰性气氛保护下进行，并且经过最终表面处理。
2.如权利要求1所述的一种利用废弃纤维制作的电极材料，其特征在于，所述基础原料为聚丙烯氰纤维、浙青纤维、粘胶纤维、预氧丝、酚醛纤维、碳纤维、石墨纤维、木质纤维、棉纤维的其中一种或其中多种组成。
3.如权利要求2所述的一种利用废弃纤维制作的电极材料，其特征在于，所述电极材料的密度控制在0.08?0.12 g/cm3。
4.如权利要求2所述的一种利用废弃纤维制作的电极材料，其特征在于，所述电极材料的结构是毡状或者是布状的。
5.如权利要求2所述的一种利用废弃纤维制作的电极材料，其特征在于，所述电极材料的纤维取向在厚度方向的纤维数量大于2%。
6.一种利用废弃纤维制作复合保温材料的制造方法，其特征在于，包括: 步骤1:将废弃纤维原料进行整理； 步骤2:进行预氧化处理； 步骤3:进行卷曲处理； 步骤4:进行短切、开松、梳理处理； 步骤5:形状加工处理； 步骤6:进行碳化处理； 步骤7:进彳了石墨化处理； 步骤8:进行最终表面处理、加入催化剂。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤4中，开松处理和梳理处理之间，还有一加入混杂纤维和防极化材料的步骤4-1。
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤5中的形状加工是针刺成毡。
9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤5中的形状加工是纺纱或编织成布。
【文档编号】H01M4/86GK103474125SQ201310409132
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】申富强 申请人:上海骐杰碳素材料有限公司