[发明专利]一种基于功能性碳纳米纤维电极的不对称钒电池的制备方法

说明书

本发明属于电池材料及能源存储技术领域，具体涉及一种基于功能性碳纳米纤维电极的不对称钒电池的制备方法，分别将磷钨酸和咪唑基离子液体锑盐作为功能组分添加至聚丙烯腈/N,N‑二甲基甲酰胺的混合溶液中，制得电纺前驱体溶液，利用静电纺丝技术制备原始复合纤维材料，后经预氧化和碳化处理，得到钨嵌入碳纳米纤维材料和锑嵌入碳纳米纤维材料，将其作为钒电池正负极，能够提升正负极的电化学反应动力学性能，同时使正负极反应动力学更加匹配，进一步组装不对称钒电池，有效提升了电池效率。本发明方法简单、易于操作、设计灵活，具有极佳的应用前景。

技术领域

本发明属于电池材料及能源存储技术领域，具体涉及一种基于功能性碳纳米纤维电极的不对称钒电池的制备方法。

背景技术

高效利用清洁的可再生能源、减少石油等传统能源的使用，是保证能源长期供应，改善人类生存环境，以及实现绿色可持续发展战略的关键。随着可再生能源的迅猛发展，与之配套的大型储能技术也受到了广泛关注。钒氧化还原液流电池是最具产业化优势的大规模储能技术之一，具有易于扩展、循环寿命长、安全性高、响应速度快和容量大等优点，成为规模储能的首选技术之一。

电极作为钒电池电化学反应发生的场所，直接影响电池性能。目前，应用最广泛的液流电池电极材料为聚丙烯腈基碳纤维材料，其具有低成本、高导电和性质稳定等优势，但其电化学反应活性较差。通过表面修饰或催化剂修饰可以在一定程度上提升电极反应的活性和可逆性，但是钒电池正负极反应动力学存在较大差异，负极反应相对滞后，因此需要对钒电池的正负极反应进行分别设计，使二者更加匹配，才能更加切实有效提升电池性能。

利用静电纺丝技术，向聚丙烯腈前驱体溶液中引入不同的功能性组分，经过后续的热处理工艺可以得到分别适用于正负极反应的功能性碳纳米纤维电极材料。在此基础上构建正负电极材料不同的不对称结构电池，可以进一步提升电池的能量转化效率，为高性能钒电池的构建提供简单途径。

发明内容

本发明的目的在于通过对钒电池正负电极材料进行分别设计，构建正负极不同的不对称结构电池，弥补正负极反应动力学间的差距，更加切实有效地提高电池的能量转化效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于功能性碳纳米纤维电极的不对称钒电池的制备方法，包括如下步骤：

1)将钨基或锑基功能性纳米粒子的前驱体加入到聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，配制成电纺前驱体溶液；

2)将步骤1)制成的电纺前驱体溶液吸入到静电纺丝设备的注射器中，利用静电纺丝技术，将电纺前驱体溶液进行静电纺丝，得到原始复合纳米纤维材料；

3)将步骤2)得到的原始复合纳米纤维材料用刚玉板压平，置于管式炉中进行预氧化处理和碳化处理，然后冷却至室温，得到金属钨或金属锑纳米粒子嵌入的碳纳米纤维电极材料；

4)以钒-硫酸水溶液为电解液，将正极材料金属钨纳米粒子嵌入的碳纳米纤维电极材料、负极材料金属锑纳米粒子嵌入的碳纳米纤维电极材料、双极板、隔膜组装成基于功能性碳纳米纤维电极的不对称钒电池。

进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述钨基功能性纳米粒子的前驱体为磷钨酸，所述锑基功能性纳米粒子的前驱体为1-乙烯基-3-甲基咪唑六氟锑酸盐[C₄C₄im][SbF₆]。

进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述聚丙烯腈的分子量为9～20万。

进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，聚丙烯腈的质量百分浓度为10％～18％。

进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述电纺前驱体溶液中，按质量比，钨基或锑基功能性纳米粒子的前驱体:聚丙烯腈＝1:200～1:20。