[发明专利]一种多直径尺寸电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种多直径尺寸电极及其制备方法和应用，涉及液流电池技术领域。本发明的多直径尺寸电极，包括两种及以上直径范围的碳素纤维丝组，所述纤维丝的直径为100nm‑20μm，相邻直径范围的两组纤维丝的直径尺寸至少相差100nm；其中直径最小纤维丝组的直径尺寸为100‑1000nm，直径最大纤维丝组的直径尺寸为10‑20μm。本发明的制备方法包括以下步骤：S1、将聚丙烯腈溶于溶剂中，配制成两种或以上质量浓度的纺丝液；S2、将纺丝液进行多针头静电纺丝，得到由多直径尺寸纤维丝堆叠而成的纤维膜；S3、将纤维膜进行预氧化、碳化，即得多直径尺寸电极。本发明的多直径尺寸电极具有较大的比表面积，可降低电池的活化损失，提高渗透率，降低电池的浓差极化。

技术领域

本发明涉及液流电池技术领域，特别是涉及一种多直径尺寸电极及其制备方法和应用。

背景技术

为应对全球气候变化、环境污染、能源短缺等问题，太阳能，风能等可再生能源得到了广泛关注和发展。但是这些可再生能源发电具有波动性、间歇性等特点，因此需要利用大规模储能系统来实现可再生能源发电的高效并网以及实现电网的调峰、调频等。近年来，液流电池由于其不受地域限制、容量和功率相互独立、安全性好、循环寿命长等优势，作为储能系统引起广泛关注。

电极作为液流电池的主要部件之一，不仅提供电化学反应场所，也影响电解液在多孔电极内的传输，因而其几何结构及表面性质会直接影响电池性能。为了降低电化学极化、欧姆极化以及浓差极化，液流电池的电极应具备比表面积大、渗透率高、电导率高和电化学活性高等特点。目前，液流电池的电极材料主要是碳素材料，其中包括石墨毡，碳毡，碳纸，碳布等商业碳材料。商业碳素材料具有孔径和孔隙率大的特点，因而具备较高的渗透率。然而，商业碳素材料比表面积小(一般不超过1m² g^-1)，对液流电池氧化还原反应活性低，直接用于液流电池时，液流电池的输出功率密度收到较大限制。

近年来，利用静电纺丝技术制备纳米级碳纤维并将其应用于液流电池取得了一些进展。得益于纳米级的碳纤维尺寸，静电纺丝生产的碳纤维一般具有较大的比表面积(10-1000m² g^-1)；但是与此同时，静电纺丝碳电极的渗透率相较于商业碳素电极大大降低，因而直接将静电纺碳纤维电极用于液流电池会造成较大的浓差极化，从而导致电池仅能在较低的电流密度下运行。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种多直径尺寸电极，该电极具有两种及以上的尺寸，可在保证电极较高渗透率的同时实现较大的比表面积，该电极能够同时降低电池的电化学极化和浓差极化，可适用不同需求的氧化还原液流电池。

一种多直径尺寸电极，所述电极包括两种及以上直径范围的碳素纤维丝组，所述纤维丝的直径为100nm-20μm，相邻直径范围的两组纤维丝的直径尺寸至少相差100nm；其中直径最小纤维丝组的纤维丝直径尺寸为100-1000nm，直径最大纤维丝组的纤维丝直径尺寸为10-20μm。

上述多直径尺寸电极，可以在不提升电解液流动阻力的前提下，大幅提升电极的比表面积，可降低电池的活化损失，同时降低电池的电化学极化和浓差极化。将该电极用于全钒液流电池时，可以使电池在300mA cm^-2运行电流密度下能量效率高达80％以上。本发明提供的电极结构和制备方法可调节范围广，可适用于不同需求的氧化还原液流电池。

在其中一个实施例中，所述纤维丝具有2组直径范围的纤维丝组，各组纤维丝的直径分别为100-1000nm，10-20μm。

在其中一个实施例中，所述纤维丝具有3组直径范围的纤维丝组，各组纤维丝的直径分别为100-1000nm，1-10μm，10-20μm。

在其中一个实施例中，所述纤维丝具有4组直径范围的纤维丝组，各组纤维丝的直径分别为100-1000nm，1-5μm，5-10μm，10-20μm。