[发明专利]一种功能组分纵向梯度分布的电纺碳纳米纤维复合材料及其制备方法和在钒电池中的应用

说明书

本发明涉及一种功能组分纵向梯度分布的电纺碳纳米纤维复合材料及其制备方法和在钒电池中的应用。所述电纺碳纳米纤维复合材料是通过静电纺丝工艺制备的正极碳纳米纤维材料和负极碳纳米纤维材料；所述正极碳纳米纤维材料由顶层为氧化铱/PAN，中层为氧化铱+石墨烯/PAN，底层为石墨烯/PAN构成功能组分纵向梯度分布；所述负极碳纳米纤维材料由顶层为金属铋/PAN，中层为金属铋+石墨烯/PAN，底层为石墨烯/PAN构成功能组分纵向梯度分布。本发明制备的电纺碳纳米纤维复合材料应用于钒电池的正负电极材料时，可同时降低电池的电化学反应极化以及欧姆极化，有效提高钒电池的能量效率和功率密度，操作简便、设计灵活、具有普适性。

技术领域

本发明涉及电池材料及能源存储技术领域，具体涉及功能组分纵向梯度分布的电纺碳纳米纤维复合材料及其在钒电池中的应用。

背景技术

随着风能、太阳能等新能源的不断发展，相应的储能配套设备也受到了越来越多的关注。钒电池属于液流电池的一种，其活性物质是不同价态的钒离子，并通过化学能与电能之间的转换来完成电池的充放电。由于钒电池具有较大的输出功率、较长的循环寿命以及良好的安全性，使其在电网调峰、新能源发电配套储能领域具有广阔的应用前景。

钒电池的标准电动势约为1.26V。但由于欧姆压降及电化学极化的存在，使其实际端电压远小于标准电动势。选择合适的钒电池电极材料，可以在一定程度上降低电池的极化过电位，提升电池电压效率，最终提高电池性能。而一种优异的钒电池电极材料需要具备良好的化学稳定性和机械强度、优异导电性以及亲水性能，当然还必须具备出色的电化学反应活性。目前广泛应用于钒电池电极材料领域的是成本较为低廉的炭素类材料，如碳毡、炭纸及石墨毡。他们通常具有良好的机械性能和化学稳定性，较大的孔隙率、比表面积以及较高的电导率；但这类电极材料对于钒离子的电化学活性较差，且亲水性不好，从而制约着钒电池的性能。

针对碳毡类电极材料的活化方法主要有热处理、酸处理以及催化剂修饰等，但是这些方法对于电化学活性的提高有限，且容易影响材料的电导率。另外，修饰在碳毡表面的催化剂不能稳定存在，很容易被流动的电解液冲掉，使电极性能降低，循环稳定性下降。

利用静电纺丝技术，可以制备具有纳米尺度的碳纤维，使电极比表面积大大增加。此外，通过向电纺前驱体溶液中引入功能组分，可以赋予电极材料特定的功能性，且功能组分通常是嵌入纤维丝内部，使二者结合力增强。然而，电极的电导率与反应活性往往不能兼顾，使得在提升电极反应活性的同时，损失了电极的导电性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有功能组分纵向梯度分布的电纺碳纳米纤维复合材料，并将其应用于钒电池的正负电极材料，可以在提高电化学反应活性和电导率的同时，抑制析氧析氢副反应，使得电化学极化以及欧姆极化同时降低，电解液利用率提升，电池稳定性提高，从而有效提升电池效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种功能组分纵向梯度分布的电纺碳纳米纤维复合材料，所述电纺碳纳米纤维复合材料是通过静电纺丝工艺制备的正极碳纳米纤维材料和负极碳纳米纤维材料；所述正极碳纳米纤维材料由顶层为氧化铱/PAN，中层为氧化铱+石墨烯/PAN，底层为石墨烯/PAN构成功能组分纵向梯度分布；所述负极碳纳米纤维材料由顶层为金属铋/PAN，中层为金属铋+石墨烯/PAN，底层为石墨烯/PAN构成功能组分纵向梯度分布。

一种功能组分纵向梯度分布的电纺碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)PAN/DMF电纺前驱体溶液的制备：将聚丙烯腈PAN粉末加入N,N-二甲基甲酰胺DMF中，80℃下搅拌6～7h至溶解完全，制成PAN/DMF电纺前驱体溶液；

2)正极碳纳米纤维材料制备

2.1)将氯铱酸加入到PAN/DMF电纺前驱体溶液中，分散均匀，得正极电纺前驱体溶液Ⅰ；