一种铋掺杂的全钒液流电池电极及其制备方法与流程

本发明属于全钒液流电池电极领域，具体涉及一种铋掺杂的全钒液流电池电极及其制备方法。

背景技术：

1、氧化还原液流电池（rfb）由于其高效、高可靠性、设计灵活、响应快速和长循环寿命等优点，在大规模储能方面吸引了越来越多的关注。其中，全钒液流电池（vrfb）表现出巨大的前景，由于正、负极电解质溶液采用的是种类相同，仅价态不同的钒离子作为电解质活性物质，避免了正、负极电解质活性物质在电池系统长期运行过程中的造成的交叉污染，提高了全钒液流电池储能系统的运行寿命，而且在液流电池储能系统长期运行引起电解质溶液大幅度衰减后，容易再生持续利用，大幅度降低了全钒液流电池储能系统全生命周期的成本。

2、作为vrfb的关键部件，电极材料为氧化还原反应提供了活性位点，对电池性能起着至关重要的作用。多孔碳基材料因其具有合适的孔隙率、较高的比表面积、耐强酸腐蚀性和成本低等优势而被用作vrfb的典型电极材料。尽管如此，多孔碳基材料电极也存在一定的缺陷，如对钒离子氧化还原反应的电化学活性较差，从而导致电池性能差。为了提高多孔碳基材料电极的电化学活性，多孔碳基材料的改性受到研究者的广泛关注。多孔碳基材料电极的一种改性思路是在多孔碳基材料表面沉积催化剂，包括金属基（铋、钨、锑、钼等）和非金属基材料（石墨烯、碳纳米管等），以增加氧化还原反应的活性位点。现有的在多孔碳基材料表面沉积催化剂的方法主要是用催化剂前驱体溶液浸泡多孔碳基材料，再经过干燥和高温煅烧，得到负载催化剂的多孔碳基材料。但在这类电极中，催化剂与基体电极材料结合不紧密，催化剂容易从基体电极材料上脱落，使得电极性能的稳定性不佳。

3、因此，亟需提供一种具有高电化学活性、高稳定性的全钒液流电极及其制备方法。

技术实现思路

1、为克服以上问题，本发明公开了一种铋（bi）掺杂的全钒液流电池电极及其制备方法。本发明的全钒液流电池电极含有丰富的铋纳米颗粒，为钒离子提供充足的反应活性位点，提高电极材料的活性。本发明可以通过改变含铋化合物添加量、碳化温度调控铋纳米颗粒粒径，使之发挥出更佳的提高电极材料活性的效果。本发明制备全钒液流电池电极的方法，通过引入树脂作为粘结剂，且树脂经过碳化后生成树脂碳，在不影响电极导电性能的同时，极大地提高了电解液流经电极时铋纳米颗粒的附着稳定性。本发明的制备方法所需成本较低，反应简单易行，易于大规模生产。

2、具体而言，本发明提供一种铋掺杂的全钒液流电池电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

3、（1）将含铋化合物、树脂和溶剂混合均匀，得到含铋化合物的树脂溶液；

4、（2）将基体电极材料浸渍在所述含铋化合物的树脂溶液中，然后取出，干燥，得到浸渍处理后的电极材料；

5、（3）对所述浸渍处理后的电极材料在80~200℃下进行固化处理，得到固化处理后的电极材料；

6、（4）对所述固化处理后的电极材料在300~900℃下进行碳化处理，得到碳化处理后的电极材料；

7、（5）对所述碳化处理后的电极材料进行洗涤，干燥，得到所述铋掺杂的全钒液流电池电极。

8、在一个或多个实施方案中，所述含铋化合物选自硝酸铋、柠檬酸铋和氯化铋中的一种或多种。

9、在一个或多个实施方案中，所述树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、不饱和聚酯树脂和聚氨酯中的一种或多种。

10、在一个或多个实施方案中，所述溶剂选自乙二醇、丙酮和乙醇中的一种或多种。

11、在一个或多个实施方案中，所述含铋化合物的树脂溶液中，所述含铋化合物中的铋元素、树脂和溶剂的质量比为(0.4~2.5):(5~10):(75~85)，优选为(0.5~2):(5~10):(75~80)。

12、在一个或多个实施方案中，所述基体电极材料为多孔碳基材料。

13、在一个或多个实施方案中，所述多孔碳基材料选自碳毡、石墨毡、碳布和碳纸中的一种或多种。

14、在一个或多个实施方案中，步骤（2）中，基体电极材料的浸渍时间为0.5～10min。

15、在一个或多个实施方案中，步骤（3）中，固化时间为1~2h。

16、在一个或多个实施方案中，步骤（4）中，升温速率为5~10℃/min。

17、在一个或多个实施方案中，步骤（4）中，保温时间为1~4h。

18、在一个或多个实施方案中，步骤（4）中，碳化温度为600~900℃。

19、在一个或多个实施方案中，步骤（4）中，所述碳化处理的气氛为惰性气体，所述惰性气体优选为氩气或氮气。

20、本发明还提供本文任一实施方案所述的制备方法制备得到的铋掺杂的全钒液流电池电极。

21、在一个或多个实施方案中，所述铋掺杂的全钒液流电池电极含有铋纳米颗粒。

22、在一个或多个实施方案中，所述铋纳米颗粒的粒径为10~200nm。

23、在一个或多个实施方案中，所述铋纳米颗粒的载量为0.8~5mg/cm2。

24、本发明还提供一种全钒液流电池，其包含本文任一实施方案所述的铋掺杂的全钒液流电池电极。

技术特征：

1.一种铋掺杂的全钒液流电池电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含铋化合物选自硝酸铋、柠檬酸铋和氯化铋中的一种或多种，所述溶剂选自乙二醇、丙酮和乙醇中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含铋化合物的树脂溶液中，所述含铋化合物中的铋元素、所述树脂和所述溶剂的质量比为(0.4~2.5):(5~10):(75~85)。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体电极材料为多孔碳基材料，所述多孔碳基材料选自碳毡、石墨毡、碳布和碳纸中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述基体电极材料的浸渍时间为0.5~10min。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，固化时间为1~2h。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，升温速率为5~10℃/min，保温时间为1~4h，碳化温度为600~900℃，所述碳化处理的气氛为惰性气体，所述惰性气体为氩气或氮气。

8.采用权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备得到的铋掺杂的全钒液流电池电极。

9.如权利要求8所述的铋掺杂的全钒液流电池电极，其特征在于，所述铋掺杂的全钒液流电池电极含有铋纳米颗粒，所述铋纳米颗粒的粒径为10~200nm，所述铋纳米颗粒的载量为0.8~5mg/cm2。

10.一种全钒液流电池，其特征在于，所述全钒液流电池包含权利要求8或9所述的铋掺杂的全钒液流电池电极。

技术总结
本发明提供一种铋掺杂的全钒液流电池电极及其制备方法，所述铋掺杂的全钒液流电池电极的制备方法包括以下步骤：（1）将含铋化合物、树脂和溶剂混合均匀，制备得到含铋化合物的树脂溶液；（2）将基体电极材料浸渍在所述含铋化合物的树脂溶液中，然后取出，干燥，得到浸渍处理后的电极材料；（3）对所述浸渍处理后的电极材料在80~200℃下进行固化处理，得到固化处理后的电极材料；（4）对所述固化处理后的电极材料在300~900℃下进行碳化处理，得到碳化处理后的电极材料；（5）对所述碳化处理后的电极材料进行洗涤，干燥。本发明可以提升全钒液流电池的特性和稳定性，且本发明所需成本较低，反应简单易行，易于大规模生产。

技术研发人员：方滔,刁延伟,王皓楠,钱怡,赵文斌,姜宏东
受保护的技术使用者：寰泰储能科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15