[发明专利]温敏型导电智能水凝胶微球修饰的碳毡电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了温敏型导电智能水凝胶微球修饰的碳毡电极材料及其制备方法和应用。将合成的温敏型导电智能水凝胶微球分散至0.2％的nafion水溶液中，得浸渍液；将热处理的碳纤维毡浸入浸渍液中，采用物理浸渍法将温敏型导电智能水凝胶微球粘结至碳纤维毡表面，烘干，获得温敏型导电智能水凝胶微球修饰的碳毡电极材料。将该材料应用于全钒液流电池的电极材料，可以针对电池在充放电过程中不断变化的主要极化形式，对电极孔隙结构及活性表面积进行自调控，有效提升电池的电压效率。本发明设计性强，在液流电池领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及电池材料及能源存储技术领域，具体涉及一种温敏型导电智能水凝胶微球修饰的碳毡电极材料及其在全钒液流电池中的应用。

背景技术

随着全球经济的快速发展，能源消耗以及环境污染问题也日趋严重，使得太阳能、风能等可再生清洁能源受到越来越多的关注。但清洁能源存在不稳定和不连续的特点，须以规模储能技术为支撑，才能获得连续、稳定、可控的优质电能资源。

全钒氧化还原液流电池是一种以VO₂⁺/VO²⁺和V³⁺/V²⁺电对为储能活性组分的液流电池，具有存储容量大、使用寿命长、安全可靠等突出优势，是规模储能的首选技术之一。

作为钒电池关键组件，电极是钒离子发生电化学反应、实现能量转化的核心载体，对电堆性能有着决定性影响。电池在工作过程中，会产生电化学极化、欧姆极化以及浓差极化，三者皆与电极性质息息相关。随着充放电的进行，反应物浓度逐渐下降，电池的主要极化也在不断发生变化：由充放电初期的电化学极化、欧姆极化逐渐向末期的浓差极化过渡。而电极材料的反应活性、电导率以及孔隙结构分别对电化学极化、欧姆极化和浓差极化起决定影响，进而决定电池性能。

常用的钒电池电极材料为聚丙烯腈基多孔碳纤维毡，其具有低成本、高导电和良好的稳定性等优势。然而，碳毡材料的电化学反应活性较差，这也是引起电化学极化的主要原因。通过电极表面的修饰与处理，可以在一定程度上改善电极的反应活性。电极材料的本体电阻以及各界面间的接触电阻是电池欧姆极化的重要来源。通过在电极表面修饰高导电材料可以有效降低电池的欧姆极化。对于液流电池来说，在充放电末期，电极表面反应物浓度会显著下降，浓差极化成为限制电池效率的主要因素。此时，增大电极的孔隙结构成为降低电池极化的有效方法。可见，在整个电池充放电周期内，电池性能的限制性极化条件是在不断变化的。设计具有可变的结构与功能属性的电极材料是一种理想途径。

温度敏感型水凝胶是指其溶胀性能随外界温度变化而变化的一类凝胶。该类水凝胶在溶胀性能发生突变时的温度称为最低共溶温度(LCST)。N-异丙基丙烯酰胺类水凝胶是研究最多、应用最广泛的一类热缩型温敏水凝胶，具有优异的可控性及可设计性。可以根据使用要求与条件，合理设计智能凝胶微球的结构及组成，以满足实际应用需求。

将温度敏感型水凝胶微球引入碳纤维电极中，制备一种智能多孔电极材料；通过凝胶微球在电极内部的溶胀与收缩，控制电极的孔隙结构，使其结构及表面性能随着电池充放电状态而变化，进而有效降低电池在各充放电阶段的主要极化，提升电池的电压效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温敏型导电智能水凝胶微球修饰的碳毡电极材料，并应用于钒电池领域。该温敏型导电智能水凝胶微球修饰的碳毡作为钒电池电极材料，能够针对电池的充放电过程实时调控电极结构，有效降低电池极化，提升电压效率。

为实现上述目的，本发明所采用的的技术方案是：温敏型导电智能水凝胶微球修饰的碳毡电极材料，所述温敏型导电智能水凝胶微球修饰的碳毡电极材料，是由温敏型导电智能水凝胶微球和碳纤维紧密结合形成的三维多孔材料。

温敏型导电智能水凝胶微球修饰的碳毡电极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)合成温敏型导电智能水凝胶微球；