[发明专利]一种芳香骨架多孔碳材料、制备方法和应用

说明书

本发明大规模储能电池技术领域，具体涉及一种芳香骨架多孔碳材料、制备方法和应用，所述材料的制备方法包括以氯化铝为催化剂，联苯为单体，在氯仿溶液中进行聚合反应，生成芳香骨架有机前驱体；将芳香骨架有机前驱体粉末在惰性气体保护下，350～600℃恒温1～4h，得到芳香骨架多孔碳材料。制备方法工艺简单、成本低廉，易于实现大规模化生产，材料具有丰富的孔结构、比表面积大、表面活性位点数量多，且对于全钒液流电池正极氧化还原电对VO²⁺/VO²⁺表现出良好的催化活性和动力学可逆性。本发明还提供了一种有上述方法制成的芳香骨架多孔碳材料及应用。

技术领域

本发明属于大规模储能电池技术领域，具体涉及一种芳香骨架多孔碳材料、制备方法和应用。

背景技术

能源是人类社会从事一切活动的动力基础，纵观人类历史上每一次生产力的重大变革都首先源于能源利用技术的革新。太阳能、风能等可再生能源资源丰富，蕴藏能量巨大，对这些资源的开发利用被认为是实现人类永续发展的重要途径。为了应对在不远的将来可能会出现的化石能源危机，世界各国政府相继制定了关于可再生能源开发利用的发展规划。德国计划到2050年将可再生能源在总能源中的消费比重提升至80％；美国也提出到2030年可再生能源在国内总电力消费中达到40％左右；我国近些年来，十分重视可再生能源的发展，根据国家可再生能源发展规划，到2020年，可再生能源在总能源消费中的比重将达到15％。然而，由于可再能源所固有的“间歇性”、“随机性”等非稳态性因素，使得可再生能源发电波动性大、稳定性差，如将其直接并入电网会带来电力冲击和谐波污染，大幅降低电网的可靠性。解决此问题的有效方案是在可再生能源发电和电网之间引入大规模储能技术，将非稳态的电力收集起来，然后以平滑稳定的方式供给电网。美国、欧盟、日本等发达国家将大规模储能技术和相关产业提升至国家战略的高度。国际权威资讯机构麦肯锡认为储能技术是影响未来世界发展的12项颠覆技术之一，预计到2025年储能技术及相关产业对全球经济的价值贡献将超过1万亿美元。

全钒液流电池是近些年来迅速发展的大规模储能技术。它采用VO²⁺/VO²⁺和V²⁺/V³⁺氧化还原电对分别作为电池的正负极活性物质，以硫酸作为支持电解质，属于水系电池，提供的标准电极电动势为1.26V。由于全钒液流电池具有使用寿命长、安全可靠、配置灵活、响应速度快、建设周期短等优点，受到大规模储能市场的青睐。截止目前，已经多个兆瓦级储能项目全球范围内进行示范运行，市场化大规模推广已呈现积极的态势。中国、日本、美国及欧洲处于该技术的领先地位。除了在可再生能源发电的平滑输出的应用领域外，全钒液流电池技术电网调峰/调幅/调频、不间断电源、紧急备用电源、通讯基站、分布电站以及军用蓄电池等领域也有着良好的应用前景。

电极材料是全钒液流电池关键组件之一。作为电极反应发生的场所，电极材料的物理化学特性对于电池的性能具有决定性的影响。碳素类电极材料由于具有耐腐蚀性强、电导率较高、成本低廉、电势窗口宽等优点，被认为是全钒液流电池的首选，例如，目前该电池常用的电极材料为碳纤维毡或者碳纤维纸。这些碳纤维织物孔隙率高达70％～90％，内部构成三维立体孔隙通道，便于电解液的流通。同时，碳纤维良好的导电性有利于降低电池的内阻。然而，由于碳纤维的表面通常是随性的，对于正负极氧化还原电对的反应活性位少，使得活性物种在电极表面发生反应时，电荷转移阻抗较大，表现为较低的电极反应活性和较差的氧化还原可逆性，造成电池的能量转换效率和电解液活性物质的有效利用率较低，同时也限制了全钒液流电池功能密度的提升。正极氧化还原过程由于是一个多步骤反应(两个质子传递和一个电子传递)，中间涉及到氧物种的迁移和配位重构。通常认为该半反应为整个电池反应的速率控制步骤。为了提高电极材料的反应活性，近些年来科研工作者不断致力于新型电极材料的研发，碳纳米片、氮杂化介孔碳、石墨烯、羧基化多壁碳纳米管等新型碳素类材料被报道用作全钒液流电池电极，使电极材料对于VO²⁺/VO²⁺氧化还原电对的反应活性有了不同程度的提升。但这些电极往往制备工艺繁琐，成本较高，难以实现大规模化生产。