[发明专利]一种改性碳基材料及其制备方法与应用

说明书

一种改性碳基材料及其制备方法与应用，所述改性碳基材料包括碳基材料和原位生长在所述碳基材料上的N掺杂碳气凝胶，所述N掺杂碳气凝胶呈苔藓状。本发明提供的改性碳基材料作为电极材料使用时，极大地提高了电极的界面反应区域，同时由于氮参杂提高了催化活性位点，加速离子的输运与电荷的转移，进而提升电极的电化学活性，降低电化学极化，提升电池的电压效率和能量效率。

技术领域

本申请涉及储能液流电池技术领域，具体涉及一种改性的碳基材料及其制备方法与在全钒液流电池电极材料中的应用。

背景技术

由于社会的不断努力和发展，可再生能源能源，例如太阳能和风能，正在逐渐取代化石燃料。然而，为了确保其发展满足其实际使用，需要大规模用于稳定能量输出的储能系统。全钒液流电池(VRFB)由于其结构灵活，使用寿命长，维护成本低等优点是最有潜力的储能技术之一。VRFB在正、负极反应中使用具有不同价态的相同元素，有效地解决了正负极交叉污染和电解质的重复利用的问题。电极材料作为氧化还原反应区，由于浓差极化和电化学极化影响着VRFB的容量和能效效率(EE)。因此，必须开发更高效的电极材料来改善VRFB的整体性能。在各种电极材料中，石墨毡(GF)作为一种电极材料，由于其成本低廉、耐酸性好，在VRFB中得到了广泛的应用。然而，GF电极表面活性位点不足，导致钒电氧化还原反应催化活性差。目前已有几种方法被用来提升GF电极的电化学性能，如酸处理，空气热氧化，电化学氧化，官能团的引入，金属修饰。然而，通过使用这些方法进行修饰仍然不能得到高功率稳定输出的VRFB(电流密度为200mA cm-2时电压效率约为69％，能量效率约为68％)。

发明内容

针对现有电极表面活性位点不足、电池电化学性能差等问题，提供一种改性碳基材料及其制备方法与应用，增加了电极表面活性位点，提高了电池的电化学性能。

根据本申请的第一方面，提供了一种改性碳基材料，包括碳基材料和原位生长在所述碳基材料上的N掺杂碳气凝胶，所述N掺杂碳气凝胶呈苔藓状。

其中，所述碳基材料可选自用于电池电极的常规碳基材料，本发明不做限定。优选地，所述碳基材料选自碳毡、碳布、碳纸、石墨毡中的至少一种。

本申请提供的改性碳基材料，通过在碳基材料表面形成一层苔藓状改性碳气凝胶，极大地提高了电极的界面反应区域，同时由于氮参杂提高了催化活性位点，加速离子的输运与电荷的转移，进而提升电极的电化学活性，降低电化学极化，促进电池的电压效率和能量效率。

具体地，孔隙率为5.5～7.0mL g-1，比表面积为0.2～0.45m2 g-1。

本申请的第二方面，提供了一种改性碳基材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳基材料分散在聚合物单体分散液中，得到混合体系；

(2)将交联剂、引发剂添加到步骤(1)得到的混合体系中进行凝胶化反应，真空冷冻干燥，得到材料前体；

(3)对步骤(2)得到的材料前体进行煅烧，得到改性碳基材料。

该制备方法工艺过程简单，原料成本低廉，且操作灵活方便，易于规模化生产。

具体地，步骤(1)所述聚合物单体选自N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、乙二醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的至少两种；

可选地，所述聚合物单体为N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的混合物；

可选地，所述N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的质量比为0.9～5：0.05，优选0.9～1.5：0.05；可选地，N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的质量比下限选自0.9：0.05、0.95：0.05、1：0.05、1.5：0.05、2：0.05，上限选自0.95：0.05、1：0.05、1.5：0.05、2：0.05、5：0.05。