[发明专利]一种高导电性石墨化碳纤维电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高导电性石墨化碳纤维电极及其制备方法和应用。该高导性石墨化碳纤维电极通过引入铁、钒或锰等金属化合物，结合预氧化、碳化处理和活化处理步骤，保证碳电极在1000℃左右的处理温度下即可实现良好的石墨化作用，使得制得的石墨化碳纤维电极具有较高的石墨化程度和优良的导电性。本发明制得的石墨化碳纤维电极具有良好的电导率、化学和电化学稳定性；提出的制得该石墨化碳纤维电极的制备方法简单高效，大大降低了石墨化温度和后处理过程中的能源消耗，从而降低了生产成本、提高了生产效率、延长了设备使用寿命，此外，还可以在原有碳纤维电极上直接进行应用改进，不需要额外增加后处理设备，有利于其工程化。

技术领域

本发明涉及液流电池领域，尤其涉及一种高导电性石墨化碳纤维电极及其制备方法和应用。

背景技术

推动可再生能源的普及应用成为世界各国能源安全和经济可持续发展的重要战略。但是可再生能源发电具有明显的非稳态特性，直接并网将导致电网系统的稳定运行受到影响。配套高效储能电池来保证发电和供电的连续性和稳定性，是实现可再生能源发展战略的重要途径。全钒液流电池因其结构设计灵活、易于规模化、安全可靠、环境友好等突出优点有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

全钒液流电池也称为钒电池，是一种高效电化学储能设备，由电堆单元、能量存储部分及控制部分组成。钒电解液在循环泵的驱动下流经电堆，在电极表面发生还原氧化反应，进行电能与化学能的转换，实现电能的存储与释放。电极作为钒电池电化学反应的场所，是决定其性能与寿命的关键材料之一。目前广泛应用的电极材料是聚丙烯腈基碳毡，其低廉的价格和较高的稳定性使其成为钒电池储能的首选材料。然而，作为钒电池的电极，还需要具有良好的电导率和电化学活性、较高的表面积和传输性能。其中，为了保证聚丙烯腈基碳纤维毡同时具有较高的电导率和电化学活性，一般对原毡进行后处理，其具体后处理程序依次是预氧化、碳化、石墨化和活化处理。然而目前碳毡的石墨化处理一般是将碳毡置于2300℃以上的石墨化炉中进行热处理，如此高的温度势必会造成较大的能源消耗。如何在较低的温度下获得具有较高石墨化程度的聚丙烯腈基碳纤维毡或其它碳纤维电极，对于降低生产成本、提高生产效率以及延长设备使用寿命等具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种高导电性石墨化碳纤维电极的制备方法，包括过程a或过程b；

所述过程a为：将金属化合物与电极材料混合溶于溶剂中作为纺丝原液，纺丝制得混合纤维丝，对混合纤维丝依次进行氧化处理、碳化处理和活化处理制得所述高导电性石墨化碳纤维电极；

所述过程b为：将基础碳纤维电极依次进行氧化处理、掺杂处理、碳化处理和活化处理，制得所述高导电性石墨化碳纤维电极；

所述掺杂处理的步骤为：在氧化处理后的基础碳纤维电极表面镀上金属层，或者将氧化处理后的基础碳纤维电极浸渍于金属化合物溶液中；

所述金属层和所述金属化合物溶液中的金属包括铁、钒和锰中的一种。

本发明通过在碳纤维电极的制备(即过程a)或后处理过程(即过程b)中，在其内部或表面引入具有催化石墨化作用的铁、钒或锰等金属化合物，从而保证碳电极在1000℃左右的处理温度下即可实现良好的石墨化作用，使得制得的石墨化碳纤维电极具有较高的石墨化程度和优良的导电性。其中，金属层和金属化合物溶液中的金属除了可以适用铁、钒、锰等金属，所有对碳纤维具有催化石墨化作用的金属均可适用；氧化处理即为传统的预氧化处理，其它的碳化处理和活化处理均为传统使用的方式。

优选地，所述电极材料为聚丙烯腈，所述基础碳纤维电极为聚丙烯腈基碳纤维毡电极。