[发明专利]高活性多级孔碳纳米纤维电极材料的制备方法及其在钒电池中的应用

说明书

本发明公开了高活性多级孔碳纳米纤维电极材料的制备方法及其在钒电池中的应用。将尿素UREA加入到聚丙烯腈PAN和N,N‑二甲基甲酰胺DMF的混合溶液中，获得含有尿素的电纺前驱体溶液UREA/PAN/DMF；采用静电纺丝技术，进行静电纺丝，获得原始聚丙烯腈电纺纳米纤维；将获得的原始聚丙烯腈电纺纳米纤维用刚玉板压平，置于管式炉中进行预氧化处理及碳化处理，得高活性多级孔碳纳米纤维电极材料。本发明制备的高活性碳纳米纤维电极材料可同时兼具高电化学活性面积以及高电化学催化活性，使其能够满足大功率密度电堆的实际应用需求。本发明方法简单、可控性强，具有极佳的应用前景。

技术领域

本发明涉及电池材料及能源存储技术领域，具体涉及一种高活性多级孔碳纳米纤维电极材料及其在钒电池中的应用。

背景技术

随着清洁能源的迅速发展，储能技术及其产业发展日渐成熟。作为一种极具发展前景的大规模储能装置，钒电池以其循环寿命长、储能容量大、设计灵活以及绿色环保等优点受到了研究者们的热切关注。

作为钒电池电化学反应发生的场所，电极对于钒电池的性能与循环寿命具有决定性影响。随着钒电池技术的发展，开发高功率钒电池电堆成为了降低储能成本的重要途径，这也对电极在大电流密度下的电化学性能提出了更高要求。因此设计制备高性能先进电极材料，进一步减小电池极化，保证电池在大电流密度下的稳定运行，成为发展下一代钒电池电堆的先决条件。

目前常用的钒电池电极材料为聚丙烯腈(PAN)基多孔碳纤维毡，其直径一般为5～10μm，比表面积约为0.5～2m²/g，且具有良好的机械性能，较低的成本、以及优异的化学稳定性。但其电化学反应活性较差，严重限制了钒电池性能。目前针对这一问题主要有两种解决办法：一是提高电极的电催化活性，如在碳电极表面引入特定杂原子基团以及具有催化活性的过渡金属氧化物等；二是提高电极的电化学反应面积，如在电极表面造孔以增大其物理比表面积，或是增大其亲液性，以提高电极与电解液的有效接触面积。然而，这些方法往往存在过程繁琐，功能组分循环稳定性较差以及成本较高的缺点。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的在于提供一种利用静电纺丝技术，设计制备一种具有微纳米多级孔结构的高活性碳纳米纤维电极材料。该材料可同时兼具高电化学活性面积以及高电化学催化活性，使其能够满足大功率密度电堆的实际应用需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：高活性多级孔碳纳米纤维电极材料的制备方法，包括如下步骤：将尿素UREA加入到聚丙烯腈PAN和N,N-二甲基甲酰胺DMF的混合溶液中，获得含有尿素的电纺前驱体溶液UREA/PAN/DMF；采用静电纺丝技术，进行静电纺丝，获得原始聚丙烯腈电纺纳米纤维；将获得的原始聚丙烯腈电纺纳米纤维用刚玉板压平，置于管式炉中进行预氧化处理和碳化处理，得高活性多级孔碳纳米纤维电极材料。

进一步的，上述的制备方法，所述聚丙烯腈PAN分子量为6～11万。

进一步的，上述的制备方法，所述聚丙烯腈PAN和N,N-二甲基甲酰胺DMF的混合溶液中，按质量百分浓度，含有8％～14％的聚丙烯腈PAN。

进一步的，上述的制备方法，按质量比，尿素∶聚丙烯腈＝1∶(5～20)。

进一步的，上述的制备方法，静电纺丝的条件为：电压为10～30kV，接收距离10～15cm，推进速度40～60μL/min，温度20～40℃，湿度40～60RH％，纺制时间4～6h。

进一步的，上述的制备方法，所述预氧化处理是：在250～350℃下热处理0.5～2h。

进一步的，上述的制备方法，所述碳化处理是：在800～1500℃下热处理1～3h。

本发明制备的高活性多级孔碳纳米纤维电极材料作为电极材料在钒电池中的应用。

本发明的有益效果是：