本發(fā)明涉及電池材料及能源存儲，具體涉及一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料及其在釩電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、發(fā)展清潔可再生能源是解決石油等化石燃料危機的關(guān)鍵途徑，已成為保證能源安全、改善生態(tài)環(huán)境、推動綠色可持續(xù)發(fā)展的核心戰(zhàn)略。隨著可再生能源的快速發(fā)展，與之匹配的大規(guī)模儲能技術(shù)也逐漸成為研究的熱點。在眾多儲能技術(shù)中，氧化還原液流電池以其本征安全性、可擴展性、循環(huán)壽命長、響應(yīng)速度快以及儲能容量大等優(yōu)勢逐漸成為大規(guī)模長時儲能領(lǐng)域的領(lǐng)先者。

2、電極作為釩電池電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所，其性能好壞直接決定電池的能量轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。目前，市場上廣泛采用的液流電池電極材料主要基于聚丙烯腈基碳纖維，該材料具有成本低、高導(dǎo)電性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，但其電化學(xué)反應(yīng)活性較差，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用性能和釩電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料，并將其應(yīng)用于全釩液流電池電極材料，可有效改善電極活性，提升電池性能。

2、為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料，是將pils-pan混合前驅(qū)體先經(jīng)靜電紡絲技術(shù)制備二元納米纖維材料，再經(jīng)預(yù)氧化處理和碳化處理得到的具有梯度孔結(jié)構(gòu)的電紡碳納米纖維材料；所述二元納米纖維材料由聚合離子液體pils細(xì)纖維均勻分布在聚丙烯腈pan粗纖維表面構(gòu)成。

3、進(jìn)一步的，所述聚合離子液體(pils)細(xì)纖維直徑為10～30nm，所述聚丙烯腈(pan)粗纖維直徑為100～300nm。

4、進(jìn)一步的，所述聚合離子液體(pils)是以1-乙烯基-3-甲基咪唑為單體制備的聚合離子液體pils。

5、進(jìn)一步的，所述聚丙烯腈(pan)的分子量為9～15萬。

6、一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料的制備方法，包括如下步驟：

7、1)將聚丙烯腈(pan)溶解于n,n,-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中，得到pan質(zhì)量百分濃度為10～20％的pan/dmf電紡前驅(qū)體溶液；

8、2)以1-乙烯基-3-甲基咪唑為單體，制備聚合離子液體(pils)；

9、3)將聚合離子液體(pils)加入至步驟1)制得的pan/dmf電紡前驅(qū)體溶液中，混合均勻，制得pils-pan/dmf混合前驅(qū)體溶液；

10、4)將pils-pan/dmf混合前驅(qū)體溶液吸入靜電紡絲注射器中，利用靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行靜電紡絲，制備聚合離子液體pils細(xì)纖維均勻分布在聚丙烯腈pan粗纖維表面的二元納米纖維材料；

11、5)將二元納米纖維材料用剛玉板壓平，置于管式爐中進(jìn)行預(yù)氧化處理和碳化處理，然后冷卻至室溫，得到具有梯度孔結(jié)構(gòu)的電紡碳納米纖維材料。

12、進(jìn)一步的，步驟2)具體為：將1-乙烯基-3-甲基咪唑溴鹽(vietim+br-)和偶氮二異丁腈(aibn)加入到chcl3溶劑中，在n2保護(hù)氛圍下，70℃～80℃油浴回流5～6h，冷卻至室溫后，將所得產(chǎn)物用chcl3洗滌，真空干燥，得到聚合離子液體(pils)。

13、進(jìn)一步的，步驟3)中，按質(zhì)量比，聚合離子液體(pils)∶pan＝1∶50～1∶200。

14、進(jìn)一步的，步驟4)中，所述靜電紡絲技術(shù)的工藝條件為：不銹鋼噴頭型號為g15～g22；收絲器為不銹鋼轉(zhuǎn)輥，轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速為50～150r/min；噴頭與轉(zhuǎn)輥之間的電壓為18～22kv；噴頭與轉(zhuǎn)輥之間的距離為10～15cm；紡絲溫度為25～30℃；紡絲濕度為30～50％rh；推送速度為10～50μl/min。

15、進(jìn)一步的，步驟5)中，所述預(yù)氧化處理的條件是：在空氣氣氛下，以2～5℃/min的升溫速率升溫到180～200℃，保溫10～20min，之后以1～2℃/min的升溫速率升溫到290～300℃，保溫60～70min；所述碳化處理的條件是：在氮氣或氬氣氣氛下，以5～10℃/min的升溫速率升溫到1000～1100℃保溫120～130min。

16、本發(fā)明提供的一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料作為電極材料在全釩液流電池中的應(yīng)用。

17、本發(fā)明的有益效果是：

18、1、本發(fā)明，利用簡單、可控的靜電紡絲技術(shù)，通過簡單改變前驅(qū)體溶液的組成，即引入具有高電導(dǎo)率的聚合離子液體，即可獲得直徑大小不一的二元納米纖維；十幾納米直徑的pils細(xì)纖維附著于幾百納米直徑的pan纖維表面，有效提升電極反應(yīng)面積及反應(yīng)活性。

19、2、本發(fā)明，方法簡單、可控性強，能夠顯著提升電極的浸潤性，提升電池充放電過程中的電解液利用率和能量轉(zhuǎn)化效率。

技術(shù)特征：

1.一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料，其特征在于，是將pils-pan混合前驅(qū)體先經(jīng)靜電紡絲技術(shù)制備二元納米纖維材料，再經(jīng)預(yù)氧化處理和碳化處理得到的具有梯度孔結(jié)構(gòu)的電紡碳納米纖維材料；所述二元納米纖維材料由聚合離子液體pils細(xì)纖維均勻分布在聚丙烯腈pan粗纖維表面構(gòu)成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料，其特征在于，所述聚合離子液體pils細(xì)纖維直徑為10～30nm，所述聚丙烯腈pan粗纖維直徑為100～300nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料，其特征在于，所述聚合離子液體pils是以1-乙烯基-3-甲基咪唑為單體制備的聚合離子液體pils。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料，其特征在于，所述聚丙烯腈pan的分子量為9～15萬。

5.權(quán)利要求1-4任一項所述的一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料的制備方法，其特征在于，制備方法包括如下步驟：

6.權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟2)具體為：將1-乙烯基-3-甲基咪唑溴鹽和偶氮二異丁腈加入到chcl3溶劑中，在n2保護(hù)氛圍下，70℃～80℃油浴回流5～6h，冷卻至室溫后，將所得產(chǎn)物用chcl3洗滌，真空干燥，得到聚合離子液體pils。

7.權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟3)中，按質(zhì)量比，聚合離子液體pils:pan＝1:50～1:200。

8.權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟4)中，所述靜電紡絲技術(shù)的工藝條件為：不銹鋼噴頭型號為g15～g22；收絲器為不銹鋼轉(zhuǎn)輥，轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速為50～150r/min；噴頭與轉(zhuǎn)輥之間的電壓為18～22kv；噴頭與轉(zhuǎn)輥之間的距離為10～15cm；紡絲溫度為25～30℃；紡絲濕度為30～50％rh；推送速度為10～50μl/min。

9.權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟5)中，所述預(yù)氧化處理的條件是：在空氣氣氛下，以2～5℃/min的升溫速率升溫到180～200℃，保溫10～20min，之后以1～2℃/min的升溫速率升溫到290～300℃，保溫60～70min；所述碳化處理的條件是：在氮氣或氬氣氣氛下，以5～10℃/min的升溫速率升溫到1000～1100℃保溫120～130min。

10.權(quán)利要求1-4任一項所述的一種pils-pan混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料作為電極材料在全釩液流電池中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電池材料及能源存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種PILs?PAN混合前驅(qū)體制備的電紡碳納米纖維材料及其在釩電池中的應(yīng)用。是將PILs?PAN混合前驅(qū)體先經(jīng)靜電紡絲技術(shù)制備聚合離子液體PILs細(xì)纖維均勻分布在聚丙烯腈PAN粗纖維表面的二元納米纖維材料，再經(jīng)預(yù)氧化處理和碳化處理得到的具有梯度孔結(jié)構(gòu)的電紡碳納米纖維材料。本發(fā)明，利用簡單、可控的靜電紡絲技術(shù)，通過簡單改變前驅(qū)體溶液的組成，即引入具有高電導(dǎo)率的聚合離子液體，即可獲得直徑大小不一的碳納米纖維；十幾納米直徑的細(xì)小纖維附著于幾百納米直徑的PAN纖維表面，有效提升電極反應(yīng)面積及反應(yīng)活性。

技術(shù)研發(fā)人員：房大維,彭瑩瑩,井明華,馬曉雪,宋宗仁,劉娜,姜山
受保護(hù)的技術(shù)使用者：遼寧大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6