一种高性能复合碳毡的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及全钒氧化还原液流电池(VRB)用电极材料领域，具体是一种适高性能复合碳毡。
【背景技术】
[0002]随着经济的快速发展，新能源材料以其环境友好、资源丰富等优点，引起广泛关注。但是其中风能、太阳能等可再生能源发电过程具有不连续和不稳定的缺点，为了解决这个问题必须开发高效、廉价、污染少和安全可靠的大规模储能技术。全钒氧化还原液流电池(VRB)因其功率和能量独立、循环寿命长、能量效率高、维护成本低、可快速深度充放电等优点而广泛地应用于风能、太阳能发电过程的储能设备，电站储能，电网调峰等方面。电极材料是制约钒电池发展的关键材料之一，一种好的钒电池电极材料应具备良好的化学稳定性、良好的机械性能、优越的电化学活性、活性电极反应面积大和成本低廉等优点。传统的金属材料电化学可逆性差或者易被钝化，而铂、铱等贵金属虽然电化学活性高、可逆性好和化学稳定性好，但是这类金属高昂的成本制约其大规模应用。现阶段碳类材料如石墨毡、石墨、碳布和碳纤维等以其良好的稳定性和低廉的成本引起广泛的研宄，是目前应用最多的电极材料，但是这类材料直接应用过程电化学活性低，电池性能差。所以必须对这类材料进行改性处理，以其提高这类材料的电化学活性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高性能复合碳毡，解决现有技术中存在的碳毡亲水性差、稳定性差、电导率低、电化学活性低以及单个VRB性能差等问题。
[0004]本发明提供的一种高性能复合碳毡，包括碳毡和官能团化纳米碳管覆盖层，其中，官能团化纳米碳管的制作过程包括如下步骤:
[0005](I)将干燥处理后的纳米碳管溶于浓硫酸溶液中，常温浸泡2h ;
[0006](2)将步骤(I)中浓硫酸浸泡过的纳米碳管进行抽滤处理，然后反复用去离子水清洗6次；
[0007](3)将步骤(2)所得的纳米碳管放入一定量的去离子水中，超声90min，加入一定量的官能团载体，配成质量分数为8%的溶液，搅拌8h ;
[0008](4)将一定量的浓盐酸加入步骤(3)所得溶液中，搅拌6h ；
[0009](5)加热步骤(4)所得溶液，控制温度范围为120°C，然后加入亚硝酸钠，配制3%的溶液，控制所述温度为100°c，反应2h ;
[0010](6)过滤步骤(5)所得溶液，得到沉淀物，然后用浓度为2mol/L的硝酸铵溶液反复清洗所述沉淀物；
[0011](7)利用去离子水反复清洗步骤(6)所得沉淀物6次；
[0012](8)将步骤(7)所得沉淀物在110°C干燥2h，得到官能团化纳米碳管；
[0013]其中，复合碳毡的制备包括以下步骤:
[0014]将上述步骤(8)所得的官能团化纳米碳管溶解于去离子水中，配制质量分数为40%的溶液；然后将一定量的质量分数为6%的Naf1n溶液加入以上溶液中，得到浸泡液；再将干燥处理过的碳毡浸泡在上述浸泡液中SOmin ;最后将浸泡后的碳毡干燥处理；再次将上述干燥处理后的碳毡浸泡在浸泡液中80min，然后再次干燥，重复浸泡-干燥步骤10次。
[0015]本发明提出的一种高性能复合碳毡具有以下显著的优点:
[0016]1.本发明以纳米碳管为原料，采用化学接枝的方法，制备功能化纳米碳管，并用Naf1n作为粘结剂，制备功能化碳管改性的碳租复合电极材料，该电极材料具有亲水性好、电导率高、稳定性好、电化学催化活性高等优点。
[0017]2.本发明的复合碳毡，原料易得、成本低廉、操作简单易行，适合大规模发展。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例对本发明做进一步描述。
[0019]本发明利用纳米碳管为原料，采用化学接枝的方法，制备官能团化纳米碳管，用Naf1n粘结到碳毡上，制备复合碳毡电极。该电极材料具有电导率高、亲水性能好、电化学活性高以及单个钒电池充放电性能好等优点。
[0020]实施例1
[0021]本发明提出的一种高性能复合碳毡，包括碳毡和官能团化纳米碳管覆盖层，其制备包括以下步骤:
[0022]1.官能团化纳米碳管的制备:首先将干燥好的200mg纳米碳管放入浓硫酸中浸泡2h，然后放在500-1000ml去离子水中，搅拌40分钟，反复用去离子水清洗6次；然后称取600mg对氨基苯磺酸，搅拌8h后加入2ml盐酸，将上述溶液在40°C水域中加热6h ;称取Ig亚硝酸钠加入上述溶液中，在120°C下反应2h ;然后将该溶液抽滤，反复利用硫酸铵、硫酸和去离子水冲洗，然后在110°C条件下干燥，得到官能团化纳米碳管。
[0023]2.官能团化纳米碳管溶液的制备:称取50mg官能团化纳米碳管，加入150ml去离子水中，然后加入4.5ml质量分数为6%的Naf1n溶液，超声处理30min，然后搅拌2h后备用。
[0024]3.改性碳毡的制备:将500mg碳毡在70°C下真空干燥处理6小时，然后浸泡在上述官能团化纳米碳管溶液中，浸泡时间为80min，然后在烘箱中80°C干燥，并且反复浸泡干燥处理10次。
[0025]本实施例中，获得的复合碳毡各原料结合良好，没有纳米碳管脱落现象，且本实施例的相关性能数据如下:
[0026]室温下测得隔膜在全钒氧化还原液流电池中的内阻为0.50 Ω/cm2，此比例制备的复合膜面电阻小于原碳租(0.69 Ω /cm2), VRB中的电池性能远远高于原碳租，适应VRB的应用要求。
[0027]装有改性碳毡复合电极材料的单个VRB电池，充放电过程中具有很高的库仑效率，能量效率，经过多次循环，其电池效率没有衰减；改性碳毡在VRB电池五价钒的浓硫酸溶液中能稳定存在，具有良好的化学稳定性。所以，该复合碳毡能够很好的适应钒电池体系，其低廉的价格，良好的电池性能能够促进钒电池的产业化生产。
[0028]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种高性能复合碳毡，其特征是，包括碳毡和官能团化纳米碳管覆盖层，其中，官能团化纳米碳管的制作过程包括如下步骤: (1)将干燥处理后的纳米碳管溶于浓硫酸溶液中，常温浸泡2h; (2)将步骤(I)中浓硫酸浸泡过的纳米碳管进行抽滤处理，然后反复用去离子水清洗6次； (3)将步骤(2)所得的纳米碳管放入一定量的去离子水中，超声90min，加入一定量的官能团载体，配成质量分数为8%的溶液，搅拌8h ; (4)将一定量的浓盐酸加入步骤(3)所得溶液中，搅拌6h; (5)加热步骤(4)所得溶液，控制温度范围为120°C，然后加入亚硝酸钠，配制3%的溶液，控制所述温度为100°C，反应2h ; (6)过滤步骤(5)所得溶液，得到沉淀物，然后用浓度为2mol/L的硝酸铵溶液反复清洗所述沉淀物； (7)利用去离子水反复清洗步骤(6)所得沉淀物6次； (8)将步骤(7)所得沉淀物在110°C干燥2h，得到官能团化纳米碳管； 其中，复合碳毡的制备包括以下步骤: 将上述步骤(8)所得的官能团化纳米碳管溶解于去离子水中，配制质量分数为40%的溶液；然后将一定量的质量分数为6%的Naf1n溶液加入以上溶液中，得到浸泡液；再将干燥处理过的碳毡浸泡在上述浸泡液中SOmin ;最后将浸泡后的碳毡干燥处理；再次将上述干燥处理后的碳毡浸泡在浸泡液中80min，然后再次干燥，重复浸泡-干燥步骤10次。
【专利摘要】本发明涉及全钒氧化还原液流电池(VRB)电极材料领域，具体地说是一种高性能复合碳毡，解决现阶段钒电池用碳毡电极亲水性差、有效面积低、电化学活性低、电导率低、钒离子电对催化性能差及单电池性能低等问题；本发明以商业化碳毡为原料，利用粘结剂粘结的方法，制备功能化碳管复合碳毡；本发明制备的复合碳毡具有良好的亲水性能、电化学催化性能、电导率、化学稳定性和良好的单个VRB电池性能等优点。本发明的产品成本低廉，易于产业化生产和环境友好，可广泛地应用于全钒氧化还原液流电池领域。
【IPC分类】H01M4-90
【公开号】CN104716343
【申请号】CN201510005906
【发明人】耿振铎, 王玉平, 常晓晓, 耿占吉, 徐国亮
【申请人】河南师范大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年1月7日