[发明专利]应用于液流电池的多尺度多孔电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种应用于液流电池的多尺度多孔电极及其制备方法和应用，多尺度多孔电极包括碳纤维搭接、粘结或编织形成的多孔电极骨架，所述碳纤维的表面分布有二级孔，所述二级孔的内表面分布有三级孔。上述多尺度多孔电极可应用于全钒液流电池，应用于全钒液流电池时，能使电池的电流效率达到98％以上，能量效率达到89％，运行电流密度达到200mAcm^‑2以上，有效运行时间超过500小时。

技术领域

本发明涉及液流电池技术领域，特别是涉及一种应用于液流电池的多尺度多孔电极及其制备方法和应用。

背景技术

能源是人类生存的基础，是社会发展的动力，对能源的合理开发利用备受关注。传统化石能源的大量使用带来了环境污染、气候变化等诸多问题。大力发展以风能和太阳能为代表的可再生能源是实现能源供给清洁化、可持续化的有效途径。但可再生能源具有间歇性、波动性等特点，往往会对电网造成较大的冲击，成为限制其大规模应用的瓶颈。发展电网级的储电系统是解决这一问题的有效途径。在现有的大规模储电技术中，液流电池因其可扩展性好，安全性好，寿命长，全周期寿命低，具有广阔的发展前景。

在液流电池中，活性物质一般以离子形式溶解在液态电解液里。正负极电解液储存在外部的储液罐里，当电池运行时，正负极电解液被分别泵送至正负极发生电化学反应以储存或释放电能。按不同活性物质分类，现有的液流电池主要包括全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池、氢溴液流电池等。现有的液流电池电极一般采用碳毡、石墨毡、碳纸、碳布等基于碳纤维搭接的多孔电极材料。相较于平面电极而言，此类多孔电极可以提高比表面积和电化学催化活性，同时具有稳定性好、渗透率高、成本低等优点。基于现有电极的液流电池，如全钒液流电池，在较低的运行电流密度下(40-80mA cm^-2)，充放电能量效率可达70-80％。但现有液流电池由于运行电流密度低、输出功率低，导致电堆用料多、造价昂贵，难以推广。

发展高比表面积、高活性电极对提高液流电池运行电流密度及功率密度至关重要，这将显著降低储能系统的成本，推动其商业化进程。在液流电池电极设计中，需兼顾电极活性和电极传质特性，但比表面积与电极渗透率往往相互制约，难以同时提高。一般情况下，降低碳纤维直径可以提高电极的比表面积，但同时会极大地降低电极的渗透率，导致电解液流动阻力和泵功显著增加，使电池性能恶化。

因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种应用于液流电池的多尺度多孔电极。

具体的技术方案如下：

一种应用于液流电池的多尺度多孔电极，包括碳纤维搭接、粘结或编织形成的多孔电极骨架，所述碳纤维的表面分布有二级孔，所述二级孔的内表面分布有三级孔。

在其中一些实施例中，所述碳纤维的直径为2μm-20μm，长度为10μm-10mm。

在其中一些实施例中，所述二级孔的直径为50nm-500nm，孔深为50nm-500nm，孔间距为50nm-500nm。

在其中一些实施例中，所述三级孔的直径为5nm-10nm，孔深为10nm-30nm，孔间距为5nm-10nm。

本发明的另一目的是提供上述应用于液流电池的多尺度多孔电极的制备方法。

上述应用于液流电池的多尺度多孔电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)将初始碳素材料浸入镍盐、铁盐或钴盐溶液(溶剂可以为水、乙醇、丙酮或异丙醇)中并进行超声处理5-60min，溶液中镍盐、铁盐或钴盐的质量分数为3-30％；处理后于60-120℃烘干；