一种嵌入碳质微球的碳纳米纤维电极材料及其制备方法和应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111540915A(43)申请公布日2020.08.14(21)申请号202010394811.X(22)申请日2020.05.11(71)申请人辽宁大学地址110000辽宁省沈阳市沈北新区道义南大街58号(72)发明人房大维井明华齐笑辰(74)专利代理机构沈阳杰克知识产权代理有限公司21207代理人金春华(51)Int.Cl.H01M4/88(2006.01)H01M4/96(2006.01)H01M8/18(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图2页(54)发明名称一种嵌入碳质微球的碳纳米纤维电极材料及其制备方法和应用(57)摘要本发明公开一种嵌入碳质微球的碳纳米纤维电极材料及其制备方法和应用。首先利用简单、绿色的水热合成方法，制备具有适宜尺寸的碳质微球。随后将其引入到聚丙烯腈电纺前驱体溶液中，调整纺液组成及纺丝条件进行纺丝；再将所得的含有碳质微球的聚丙烯腈纳米纤维置于管式炉中进行预氧化及碳化处理，即可得到结构疏松，具有丰富孔隙、高比表面积、优异电导率与反应活性的二元新型多孔碳纳米纤维材料。将其用作液流电池电极材料可以有效降低由传质阻力引起的浓差极化，提高电解液利用率，降低泵耗，提升系统效率。本发明方法简单，易于操作，可得到具有较大孔隙的高活性碳纳米纤维电极材料，具有极佳的应用前景。CN111540915ACN111540915A权利要求书1/1页1.一种嵌入碳质微球的碳纳米纤维电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)碳质微球的制备：将碳源溶解于水中，利用水热合成方法，获得微球，将所得微球离心洗涤并烘干后于500～900℃下碳化处理1～3h，得碳质微球；2)将步骤1)所得碳质微球加入到聚丙烯腈PAN和N,N-二甲基甲酰胺DMF混合溶液中，得静电纺丝前驱体溶液；3)将静电纺丝前驱体溶液吸入静电纺丝设备进样器中，进行静电纺丝，得含有碳质微球的聚丙烯腈纳米纤维；4)将所得含有碳质微球的聚丙烯腈纳米纤维用刚玉板压平，然后置于管式炉中进行预氧化处理和碳化处理，得嵌入碳质微球的碳纳米纤维电极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)，所述碳源包括淀粉、葡萄糖和β-环糊精。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)，所述水热合成方法是，于120～200℃，水热反应4～10h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)，将所得微球离心洗涤，采用的溶剂包括蒸馏水和乙醇。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)，聚丙烯腈PAN和N,N-二甲基甲酰胺DMF混合溶液中，按质量百分比，含有8～15％的聚丙烯腈PAN，所述聚丙烯腈PAN的分子量为6～11万。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)，按质量比，碳质微球∶聚丙烯腈PAN＝1∶(1～50)。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)，静电纺丝的条件为：收丝器为不锈钢转辊，转辊转速为100～250r/min；电压为17～23kV；接收距离为8～15cm；纺丝温度为20～40℃；纺丝湿度为40～60％RH；推送速度为10～100μL/min；纺制时间3～5h。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)，所述预氧化处理是：在空气气氛下，于250～350℃热处理0.5～2h；所述碳化处理是：在氮气或氩气气氛下，于800～1500℃热处理1～5h。9.按照权利要求1-8任一项所述的方法制备的嵌入碳质微球的碳纳米纤维电极材料在液流电池中的应用。10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述液流电池包括全钒液流电池和有机液流电池。2CN111540915A说明书1/4页一种嵌入碳质微球的碳纳米纤维电极材料及其制备方法和应用技术领域[0001]本发明涉及电池材料及能源存储技术领域，具体涉及一种可提升电极传质性能的嵌入碳质微球的碳纳米纤维电极材料及其制备方法和应用。背景技术[0002]风能、太阳能等可再生能源的产业化受到越来越多的重视，其对于人类社会的发展和进步具有重要意义。但这些清洁能源有明显的不可控性，严重限制了其产业化。通过配套使用大规模储能技术，可以保证清洁能源的稳定输出与高效利用。[0003]液流电池因其具有容量大、寿命长、设计灵活等诸多优势受到人们的广泛关注。多孔电极作为电化学反应的场所，直接影响电池的性能。目前，应用最广泛的液流电池电极材料为商业化碳毡，其具有低成本、高导电和良好的稳定性等优势。但其电化学反应活性较差。向碳纤维表面引入催化剂或增大电极活性面积是提升电化学反应活性的有效方法。其中，通过减小碳纤维直径可以有效提升电极的比表面积，进而改善碳纤维电极的电化学反应活性。而利用静电纺丝来制备纳米碳纤维