[发明专利]皮芯结构石墨毡电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电极材料制备领域，特别涉及一种皮芯结构石墨毡电极材料的制备方法。

背景技术

随着太阳能、风能等可再生能源的开发和利用，大规模高效蓄能技术的研究开发成为国际热点。在强大的社会发展需求和巨大的潜在市场的推动下，大规模、高效率、长寿命、低成本、无污染的液流电池迎来了一个蓬勃发展的新时期。液流电池的正负极活性物质（电解液）分别存储在两个储液罐中，储液罐分别与电池和泵相连，工作时通过泵把电解液打入电池使电解液循环流动。

电极材料是决定液流电池性能好坏的关键因素之一，寻找合适的电极材料是目前液流电池研究的一个重点及热点。曾用作液流电池的电极材料主要有：金属（金、铅、钛、钛基铂和钛基氧化铱）电极、碳素（石墨板、石墨毡、玻碳、碳布和碳纤维）电极和一体化复合电极（聚丙烯、高密度聚乙烯等作为基体树脂，掺杂炭黑、碳纤维等导电介质制备而成的聚合物导电板与石墨毡制成的电极）。从性能和成本两方面考虑，金属类电极不适合大规模应用于液流电池的电极材料，PAN基石墨毡电极及一体化复合电极成为电极材料研究的热点。石墨毡在液流电池中主要起提供电化学反应场所的作用，要求其具有较高的活性和一定的强度，而预氧毡经完全碳化、石墨化后，石墨纤维表面的活性基团含量减少，并且强度明显降低，掉渣现象严重，不能满足液流电池电极材料的需求。

发明内容

本发明为了克服上述不足，提供一种石墨毡电极材料的制备方法，以利用此方法制备出石墨纤维表面活性基团含量增加、强度升高、避免掉渣现象发生的电极材料。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下。

一种皮芯结构石墨毡电极材料的制备方法，其特征是：包括如下步骤，

（1）预氧毡进行不完全碳化制得碳毡；

（2）对上述碳毡进行不完全石墨化制得石墨毡；

（3）再对石墨毡的纤维进行表面修饰，得到具有皮芯结构的石墨毡电极材料。

步骤（1）是对纤维进行不完全碳化的过程，其条件优选如下：在真空、N₂或者Ar气氛下进行，碳化温度为800-1400℃，碳化时间为1-240h。

步骤（2）是对纤维进行不完全石墨化的过程，其条件优选如下：在真空、N₂或者Ar气氛下进行，石墨化温度为1600-2300℃，石墨化时间为1-240h。

步骤（3）是对表面纤维进行表面修饰的过程，优选接枝法或氧化法。

所述接枝法的条件优选如下：将步骤（2）得到的未完全石墨化的石墨毡浸泡在浓度为0.1～10mol/L的异丙醇溶液、乙酸溶液或两者以摩尔比1:10～10:1的混合溶液中，或者在石墨毡表面喷洒上述溶液，之后对上述浸润后的石墨毡进行等离子体处理，将异丙醇中的羟基、乙酸中的羧基嫁接到石墨毡的纤维表面。

所述氧化法的条件优选如下：将步骤（2）得到的未完全石墨化的石墨毡置于空气气氛下，于350-700℃对其氧化0.5-8h，使石墨毡纤维表面的氢基转化成羟基、羧基。

此外，步骤（1）使用的预氧毡厚度一般为3-10mm。

本发明通过对预氧毡进行不完全碳化、石墨化处理，最终实现纤维中出现皮芯结构，其实现的原理在于预氧毡进行碳化、石墨化的过程中，预氧丝表面与芯部所处环境不同，表面的温度较芯部高，表面较芯部易碳化、石墨化，因此通过调整碳化、石墨化的工艺过程，便可得到皮芯结构的石墨纤维，再对其进行表面修饰，最终得到所要求的石墨毡电极材料。

本发明通过改变碳化、石墨化工艺，升高碳化、石墨化温度并相应降低碳化、石墨化时间，对预氧丝进行不完全碳化、石墨化，使纤维出现皮芯结构，既保证了石墨毡的强度，避免了掉渣现象的发生，又由于不完全碳化、石墨化而降低了生产成本，提高了生产效率。此外，对纤维进行表面修饰大大提高了石墨纤维表面活性基团含量，在石墨纤维表面保留了更多的活性基团，提高了石墨毡的活性和润湿性，提高了能量利用率。综上，本发明制得的石墨毡电极材料性能大幅提高，市场前景广阔。

附图说明

图1为皮芯结构石墨毡电极材料的制备流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图说明本发明，但本发明并不局限于这些具体实施例和附图。

制备皮芯结构石墨毡电极材料的流程图如图1所示。

实施例1