液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法
【专利摘要】液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法，涉及蓄电池生产【技术领域】。先以PAN预氧化毡为原料，在具有温度梯度的碳化炉中进行前处理；然后将碳化处理过的PAN预氧化毡置于活化区内，通入O2或CO2，进行反应，在PAN预氧化毡表面原位生长COOH基团。本发明实现了碳毡电极制备与改性的一步完成，使碳毡表面形成含氧官能团的种类发生改变，实现含氧官能团的原位生长。含有不同种类和数量的含氧官能团的PAN碳毡电极可相应地应用于不同种类和规模的液流电池系统。通过对电池性能的综合评价，可以构建含氧官能团的种类和数量与液流电池性能之间的优化匹配关系，使碳毡电极材料在液流电池中的应用达到最佳状态。
【专利说明】液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及蓄电池生产【技术领域】。
【背景技术】
[0002]氧化还原液流电池具有电流转换能力好、结构设计灵活、成本合理、操作简便等优点，是一种适用于大规模蓄电储能的新型绿色二次电池。
[0003]目前商业化的液流电池普遍采用PAN碳毡电极，但由于碳毡的惰性和疏水性还有待提高，因此，针对碳毡的改性已成为提高电极材料性能的重要手段之一。目前国内外对PAN碳毡进行改性的主要方法有空气氧化法、液相氧化法、电化学氧化法等。这些改性方法主要是在碳毡表面增加含氧官能团，可以有助于提高液流电池用PAN碳毡的电化学活性和亲水性，进而催化离子电对的氧化还原反应，增大电池的能量效率。
[0004]但上述改性措施的共性是以成品碳毡为原材料，其碳纤维表面已经完全碳化，使得碳纤维中C的结构和性能均已稳定，基于稳定C的含氧官能团引入势必存在局限性。随着国内外液流电池应用逐渐增多，对碳毡电极材料的需求量也在逐年增多，亟待从根本上解决碳毡电极材料的改性问题。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提出一种可使改性后的碳毡电极材料中C的结构和性能相对活性的液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法。
[0006]本发明包括以下步骤:
1)碳化:以PAN预氧化毡为原料，在具有温度梯度的碳化炉中进行前处理；
2)活化:将碳化处理过的PAN预氧化毡置于活化区内，通入O2或CO2，进行反应，在PAN预氧化毡表面原位生长COOH基团。
[0007]本发明将温度梯度的碳化炉碳化后，由活性气体(O2或CO2)进行活化，使O2或CO2与高活性无定形碳原子发生反应，可以通过调节活化氧化气体的浓度、时间、温度以及碳纤维质量等因素，控制碳被氧化的反应程度，使碳毡表面形成含氧官能团的种类发生改变，实现含氧官能团的原位生长。
[0008]本发明采用特殊的碳化和活化氧化步骤，实现了碳毡电极制备与改性的一步完成，使碳毡表面形成含氧官能团的种类发生改变，实现含氧官能团的原位生长。含有不同种类和数量的含氧官能团的PAN碳毡电极可相应地应用于不同种类和规模的液流电池系统。通过对电池性能(主要为电压效率、能量效率、电流效率)的综合评价，可以构建含氧官能团的种类和数量与液流电池性能之间的优化匹配关系，使碳毡电极材料在液流电池中的应用达到最佳状态。
[0009]另，本发明碳化前所述PAN预氧化毡的厚度为5?8mm。
[0010]所述碳化时，PAN预氧化毡经过的碳化炉的温度条件为:先以10°C /min的升温速度从300°C上升至700°C，然后以5°C /min的升温速度从700°C上升至900°C，最后以2V /min的升温速度从900°C上升至1200°C。
[0011]活化时，活化区内的温度条件为400?900°C。
[0012]活化时，所述O2的直径< 2nm，所述CO2的直径为2?50nm。
【具体实施方式】
[0013]一、制备液流电池用碳毡电极材料:
1、碳化:
以厚度为5?8mm的PAN预氧化毡为原料(PAN预氧化毡的长度和宽度视生产条件和使用要求而定)。
[0014]将PAN预氧化毡放入炭化炉中，依次通过300?700°C低温碳化区(升温速度为:IO0C /min),700?900°C中温碳化区(升温速度为:5°C /min)；900?1200°C高温碳化区(升温速度为:2V /min)ο
[0015]取出后自然降温至900°C以下。
[0016]2、活化:
完成碳化后，将PAN预氧化毡继续进入温度为400?900°C的活化氧化区，在该区域可根据所需纤维微孔孔径的大小通入直径< 2nm的O2或直径为2?50nm的CO2,并可逐渐增大氧化气体的浓度、通入时间、温度来增强活化程度，使碳纤维表面的含氧官能团的主要种类变化依次为-OH — -C=O — C00H。
[0017]二、产品性能分析.对比表:
【权利要求】
1.液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法，其特征在于包括以下步骤: 1)碳化:以PAN预氧化毡为原料，在具有温度梯度的碳化炉中进行前处理； 2)活化:将碳化处理过的PAN预氧化毡置于活化区内，通入O2或CO2，进行反应，在PAN预氧化毡表面原位生长COOH基团。
2.根据权利要求1所述液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法，其特征在于碳化前所述PAN预氧化租的厚度为5?8mm。
3.根据权利要求1或2所述液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法，其特征在于所述碳化时，PAN预氧化毡经过的碳化炉的温度条件为:先以10°C /min的升温速度从300°C上升至700°C，然后以5°C /min的升温速度从700°C上升至900°C，最后以2V /min的升温速度从900°C上升至1200°C。
4.根据权利要求1所述液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法，其特征在于活化时，活化区内的温度条件为400?900°C。
5.根据权利要求4所述液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法，其特征在于活化时，所述O2的直径< 2nm。
6.根据权利要求4所述液流电池用碳毡电极材料的一种生产方法，其特征在于活化时，所述CO2的直径为2?50nm。
【文档编号】H01M4/88GK103441288SQ201310420991
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】谭毅, 张欢, 施伟, 李佳艳, 李强 申请人:大连理工高邮研究院有限公司