[发明专利]一种全钒液流电池用电极材料及其制备和应用

说明书

一种全钒液流电池用电极材料，通过将按比例混合均匀的聚丙烯腈纤维预氧丝和沥青纤维预氧丝通过机械梳理成网或气流成网后，经针刺再经碳化或石墨化处理制备而成。制备的混合碳纤维毡由于沥青基碳纤维较低的生产成本，与全聚丙烯腈基碳纤维毡相比，电极材料成本可降低1/3左右；而且具有较低的本体电阻，进而降低全钒液流电池的电池内阻，提高全钒液流电池的电压效率和能量效率。

技术领域

本发明涉及化学储能技术中的液流电池领域，特别涉及全钒液流电池的电极。

背景技术

全钒液流电池因其具有输出功率和容量相互独立，系统设计灵活；能量效率高，寿命长，运行稳定性和可靠性高，自放电低；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低，安全性高等优点，在规模储能方面具有广阔的发展前景，被认为是解决太阳能、风能等可再生能源发电系统随机性和间歇性非稳态特征的有效方法，在可再生能源发电和智能电网建设中有着重大需求。

目前，全钒液流电池储能技术已经初步实现产业化，但还需要进一步提高其性能、降低成本，以推动其产业化进程。为满足该目标，一方面需要通过降低电池关键材料的成本来实现，另一方面可通过提高VFB的功率密度，即提高全钒液流电池的工作电流密度，降低单位千瓦电池材料用量来降低系统成本。而要实现在保持电池能量效率不降低的前提下提高VFB 的工作电流密度，关键是减小电池极化，使VFB在工作电流密度提高的情况下不增大能量损失。

电极作为全钒液流电池的关键部件之一，为正负极氧化还原反应提供反应场所，其性能对液流电池的影响极大，直接影响着电化学反应速率、电池内阻以及电解质溶液的分布均匀性，进而影响着电池的极化以及电池电阻，最终影响电池的能量效率和功率密度，故而要求其具有优异的导电性、电催化性能、稳定性和机械强度。现有技术中的全钒液流电池电极材料通常为纯的聚丙烯腈碳纤维毡，碳化得率为50-60％，电导率受材料限制，且成本较高，不利于全钒液流电池系统成本降低。

发明内容

为提高全钒液流电池电极材料的导电性和降低其成本，本发明提供一种全钒液流电池用电极材料及其制备方法，在传统的聚丙烯腈基碳纤维毡中引入低成本、高导电性的沥青基碳纤维。沥青基碳纤维除了具备聚丙烯腈基碳纤维耐氧化、耐腐蚀等优良特性外，其含碳量高、易石墨化，较聚丙烯腈基碳纤维具有更高的导电性能和导热性能，且其成本低廉，仅为聚丙烯腈基碳纤维的1/3～1/4。然而，沥青基预氧丝由于具有脆性较大不易弯曲的特点，造成其针刺成毡困难。因此，本发明通过将聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维混合制成两种碳纤维的混合碳纤维毡，利用聚丙烯腈预氧丝韧性好的特点解决碳纤维毡针刺成型的问题，又利用了沥青基碳纤维高导电性和低成本的特点提高全钒液流电池电极材料的导电性并降低其成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种全钒液流电池用电极材料，其为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维组成的碳纤维毡。所述聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的平均纤维直径为5～20μm；所述聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维均匀分散在所述碳纤维毡中，且所述聚丙烯腈基碳纤维与所述沥青基碳纤维的重量比为1∶ 9～8∶2，优选3∶7～7∶3。

其中，

所述沥青基碳纤维为煤沥青基碳纤维和/或石油沥青基碳纤维，优选地，为石油沥青基碳纤维。

所述电极材料中聚丙烯腈基碳纤维的质量分数为10～80％，优选的，为 30～70％。

所述电极材料中沥青基碳纤维的质量分数为20～90％，优选的，为 30～70％。

所述电极材料的密度为0.05-0.2g/cm³。

本发明提供一种所述电极材料的制备方法，所述碳纤维毡通过将按比例混合均匀的聚丙烯腈纤维预氧丝和沥青纤维预氧丝通过机械梳理成网或气流成网后，经针刺再经碳化和石墨化处理制备而成。