Структурные и эксплуатационные преимущества электродов проточной батареи, модифицированных непрерывным CVD-осаждением углеродных нанотрубок

Электроды проточных батарей обычно изготавливаются из электродного войлока и электродной ткани. Этот процесс включает в себя превращение предварительно окисленного волокна в войлок или ткань с помощью текстильной технологии с последующей карбонизацией, графитизацией и активацией для производства электродов. Наиболее важным этапом, влияющим на характеристики материала электрода, является этап активации. Обычный процесс активации осуществляется путем окислительной активации, обычно включающей высокотемпературную термическую обработку воздухом или воздухом, смешанным с небольшим количеством водяного пара, для прививки различных активных функциональных групп (обычно гидроксильных и карбоксильных групп) на поверхность углеродных волокон, достигая гидрофильных эффектов. За счет окислительного травления увеличивается удельная поверхность углеродных волокон и усиливаются активные центры, что позволяет получить хорошо активированные гидрофильные электродные материалы. Этот процесс отличается простотой, удобством и дешевизной. Однако его недостатком является невозможность точного контроля пропорции и количества кислородсодержащих функциональных групп. Химические связи гидроксильных и карбоксильных групп углеродных волокон склонны к разрыву и дезактивации; процесс активации окисления приводит к появлению окисленного графита на поверхности графитизированных углеродных волокон, что приводит к плохой проводимости; увеличение удельной поверхности за счет процесса активации окисления крайне невелико, обычно не превышает 2 м²/г, а увеличение реакционных центров сравнительно невелико.

Наш процесс активации включает осаждение углеродных нанотрубок на поверхность графитированных углеродных волокон посредством непрерывного процесса осаждения из паровой фазы. Контролируя поток газа и условия давления, углеродные нанотрубки равномерно покрывают поверхность углеродных волокон (из-за отсутствия катализаторов углеродные нанотрубки могут только прилипать и расти на углеродных волокнах, что, в свою очередь, приводит к плотному покрытию углеродных нанотрубок, которое не отпадает). Затем посредством нитридирования прививаются пиррольные и пиридиновые структуры, чтобы ингибировать побочную реакцию выделения водорода. Наконец, в нескольких температурных зонах происходят реакции окисления, приводящие к прививке кислородсодержащих функциональных групп на поверхность.

Характеристиками этого процесса являются:

1. Капиллярное явление, возникающее в результате осаждения углеродных нанотрубок, обеспечивает гидрофильный эффект физическим методом, что делает его менее склонным к дезактивации;

2. Удельная площадь поверхности велика, обычно ≥10㎡/г, что в 5-10 раз больше, чем при использовании традиционных процессов;

3. Окислительное травление минимальное, внутреннее сопротивление электрода низкое. Этот процесс отличается от традиционных методов окислительной активации, которые повреждают углеродные волокна. Он не только не повреждает углеродные волокна, но также помогает повысить проводимость и прочность углеродных волокон и даже позволяет производить твердые электроды за счет высокого осаждения. Как правило, эффективность по напряжению для электрода диаметром 2,5 мм обычно составляет ≥88%, а для электрода толщиной 4,35 мм обычно составляет ≥87%, что демонстрирует отличные характеристики. Наша компания располагает первой в Китае печью непрерывного осаждения из паровой фазы CVD, которая используется для выращивания УНТ на месте посредством осаждения из паровой фазы CVD. Он прошел более 10 000 циклов с потерей цикла ≤0,5%. Удельная поверхность электродного войлока и электродной ткани обычно составляет около 12 м²/г, при этом максимально достижимая площадь составляет 600 м²/г. УНТ имеют диаметр 8-10 нм и длину 100-200 нм.