一種全釩液流電池制造技術

一種全釩液流電池，其正極為石墨纖維材料，負極為碳纖維材料。本發明專利技術結合了高結晶度石墨纖維材料抗氧化能力強和低結晶度碳纖維材料電催化活性高的優點，在不提高電池極化的前提下提高了正極的抗氧化能力，從而可提高電池的充電截止電壓，進一步可提高電解液的利用率，降低電池單位千瓦時的成本。

A vanadium redox flow battery

The utility model relates to a full vanadium flow cell, wherein the positive electrode is made of graphite fiber material, and the negative electrode is a carbon fiber material. The invention combines the degree of graphite fiber materials with high crystallinity and strong antioxidant ability and low crystallization degree has the electrocatalytic activity of carbon fiber is high, without an increase in cell polarization is improved under the positive antioxidant capacity, which can improve the battery charging voltage, further improve the utilization rate of the electrolyte and reduce battery unit kWh the cost of.

【技術實現步驟摘要】
一種全釩液流電池
本專利技術涉及化學儲能技術中的液流儲能電池領域，特別涉及全釩液流電池的電極。
技術介紹
全釩液流電池因其具有輸出功率和容量相互獨立，系統設計靈活；能量效率高，壽命長，運行穩定性和可靠性高，自放電低；選址自由度大，無污染、維護簡單，運營成本低，安全性高等優點，在規模儲能方面具有廣闊的發展前景，被認為是解決太陽能、風能等可再生能源發電系統隨機性和間歇性非穩態特征的有效方法，在可再生能源發電和智能電網建設中有著重大需求。電極作為液流儲能電池的關鍵部件之一，其性能對液流儲能電池的影響極大。電極的電導率直接影響著電池的歐姆內阻；其表面與電解液的親和作用力會影響到活性物質在電極界面的傳輸速率；它的電化學催化活性也將直接決定電化學反應的本征反應速率，總之，電極材料影響著電池的電化學極化、濃差極化和歐姆極化，涉及到了電池電化學阻抗的全部組成要素。這些要素在極大程度上影響著電池的工作電流密度和能量效率。目前，液流電池中正負極使用相同的碳纖維材料，最常見的是碳氈或石墨氈。石墨氈作為電極，由于石墨氈的電催化活性較低，導致電池的電化學極化較大，電池的電壓效率偏低。而碳氈作為電極，盡管獲得了較高的電壓效率，但由于其抗氧化性不夠高，導致其在充電末期容易被氧化而影響電池的庫侖效率和壽命，因此，為防止該情況的發生，全釩液流電池的充電截止電壓常被設置在1.55V，而此舉又會導致電解液利用率偏低。
技術實現思路
本專利技術旨在提供一種在不降低全釩液流電池電壓效率的前提下提高電解液利用率的解決方案，鑒于全釩液流電池的電化學極化主要由負極極化組成，通過正負極選取不同的電極材料，即正極選擇抗氧化能力高的石墨纖維材料，負極則選擇電催化活性高的碳纖維材料，可在不提高電池極化的前提下提高正極的抗氧化能力，從而提高電池的充電截止電壓，進一步可提高電解液的利用率。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案為：一種全釩液流電池，其特征在于：正極為高結晶度的石墨纖維材料，如石墨氈或石墨紙，負極為低結晶度的碳纖維材料，如碳氈或碳紙。所述高結晶度的碳纖維材料為經2000℃及以上溫度石墨化處理得到的石墨氈或石墨紙，碳含量為96-99.99％，優選地，為97-99％。所述2000℃及以上溫度為2000-3000℃。所述石墨纖維材料(002)面的層間距為0.337-0.343nm，優選地，為0.34-0.342nm，石墨化度為20-80％，優選地，為22-50％。所述碳纖維材料為經1000-1700℃碳化處理的碳氈或碳紙，碳含量為90-95％，優選地，為93-95.5％。所述低結晶度的碳纖維材料(002)面的層間距為0.344-0.37nm，優選地，為0.344-0.355nm。所述處理時間為10分鐘以上。碳含量的測定方法沒有特別限制，可采用任何測定方法來測定，本專利技術中使用X射線光電子能譜儀測定。(002)面的層間距及石墨化度則由X射線衍射儀測定。與現有技術相比，本專利技術具有如下優點：本專利技術結合了高結晶度石墨纖維材料抗氧化能力強和低結晶度碳纖維材料電催化活性高的優點，在不提高電池極化的前提下提高了正極的抗氧化能力，從而可提高電池的充電截止電壓，進一步可提高電解液的利用率，降低電池單位千瓦時的成本。(1)采用本專利技術的全釩液流電池，與現有的采用石墨氈作為電極的全釩液流電池相比，由于負極選用低結晶度的碳纖維材料，從而降低了電池的電化學極化，有利于提高電池的電壓效率。(2)采用本專利技術的全釩液流電池，與現有的采用碳氈作為電極的全釩液流電池相比，由于正極選用高結晶度的石墨纖維材料，具有較高的抗氧化能力，可以減少副反應的發生，提高電池的充電截止電壓，繼而提高電解液的利用率，降低了電池單位千瓦時的成本。(3)本專利技術提出的全釩液流電池與現有技術相比，沒有增加額外的制備工序，僅通過正負極材料的配置便可實現性能的大幅提升，易于實現商業化生產。具體實施方式下面通過具體實施例詳述本專利技術。實施例1采用德國SGL公司生產的石墨氈作為正極，其碳含量為98.4％，(002)面的層間距為0.342nm，石墨化度為23.3％；采用遼陽金谷碳纖維科技有限公司生產的碳氈作為負極，其碳含量為94.5％，(002)面的層間距為0.348nm。切取尺寸為8cm×6cm×0.5cm的石墨氈和碳氈分別作為正負極組裝成單電池，進行充放電性能測試。正極電解液為1.5MVO2+的3MH2SO4溶液60ml，負極電解液為1.5MV3+的3MH2SO4溶液60ml。其在80mA/cm2時的電池效率及充電至1.65V時的電解液利用率如表1所示，從中可以看出，與比較例1中使用碳氈作為正負極的電池相比，本實施例的電壓效率無明顯降低，電解液利用率提高了20.8％。而與比較例2中使用石墨氈作為正負極的電池相比，本實施例中單電池的電壓效率在80mA/cm2的電流密度下從77.4％提高到了89.3％，能量效率和電解液利用率也有大幅提升。對比例1采用遼陽金谷碳纖維科技有限公司生產的碳氈作為比較例，該碳氈未經任何處理，切取尺寸為8cm×6cm×0.6cm的碳氈作為正負極組裝成單電池，進行充放電性能測試。正極電解液為1.5MVO2+的3MH2SO4溶液60ml，負極電解液為1.5MV3+的3MH2SO4溶液60ml。其在80mA/cm2的電流密度下的電池效率及充電至1.55V時的電解液利用率如表1所示。對比例2采用德國SGL公司生產的石墨氈作為比較例，該石墨氈未經任何處理，切取尺寸為8cm×6cm×0.5cm的石墨氈作為正負極組裝成單電池，進行充放電性能測試。正極電解液為1.5MVO2+的3MH2SO4溶液60ml，負極電解液為1.5MV3+的3MH2SO4溶液60ml。其在80mA/cm2的電流密度下的電池效率及充電至1.65V時的電解液利用率如表1所示。實施例2將遼陽金谷碳纖維科技有限公司生產的碳氈在2400℃真空環境下石墨化處理1h，用作正極，其碳含量為97.6％，(002)面的層間距為0.342nm，石墨化度為23％；采用遼陽金谷碳纖維科技有限公司生產的碳氈作為負極，其碳含量為94.5％，(002)面的層間距為0.348nm。從表1可以看出，與比較例1中使用碳氈作為正負極的電池相比，本實施例電池的電壓效率無明顯降低，電解液利用率提高了21.9％。而與比較例2中使用石墨氈作為正負極的電池相比，本實施例中單電池的電壓效率、能量效率和電解液利用率均有大幅提升。實施例3將遼陽金谷碳纖維科技有限公司生產的碳氈在2800℃真空環境下石墨化處理1h，用作正極，其碳含量為98.7％，(002)面的層間距為0.34nm，石墨化度為46.5％；采用遼陽金谷碳纖維科技有限公司生產的碳氈作為負極，其碳含量為94.5％，(002)面的層間距為0.348nm。表1各實施例中單電池和比較例中單電池在80mA/cm2時的電池效率及電解液利用率從表1可以看出，與對比例1中使用碳氈作為正負極的電池相比，本實施例電池的電壓效率無明顯降低，電解液利用率提高了20.1％。而與對比例2中使用石墨氈作為正負極的電池相比，本實施例中單電池的電壓效率、能量效率和電解液利用率都有大幅提升。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種全釩液流電池，包括正極和負極，其特征在于：正極為石墨纖維材料，負極為碳纖維材料。

【技術特征摘要】
1.一種全釩液流電池，包括正極和負極，其特征在于：正極為石墨纖維材料，負極為碳纖維材料。2.根據權利要求1所述電池，其特征在于：所述石墨纖維材料為經2000℃及以上溫度石墨化處理得到的石墨氈或石墨紙，碳含量為96-99.99％，優選地，為97-99％。3.根據權利要求2所述電池，其特征在于：所述2000℃及以上溫度為2000-3000℃。4.根據權利要求1所述電池，其特征在于：所述石墨纖維材料(002)面的層間距為0.337-0.343nm，優選地...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉濤，張華民，李先鋒，
申請(專利權)人：中國科學院大連化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧,21