Štrukturálne a výkonnostné výhody elektród prietokových batérií modifikovaných kontinuálnym CVD nanášaním uhlíkových nanorúrok

Elektródy prietokových batérií sú zvyčajne vyrobené z elektródovej plsti a elektródovej tkaniny. Proces zahŕňa výrobu predoxidovaného vlákna na plsť alebo látku pomocou textilnej technológie, po ktorej nasleduje karbonizácia, grafitizácia a aktivácia na výrobu elektród. Najkritickejším krokom ovplyvňujúcim výkon materiálu elektródy je krok aktivácie. Konvenčný aktivačný proces sa vykonáva oxidačnou aktiváciou, ktorá typicky zahŕňa vysokoteplotné tepelné spracovanie vzduchom alebo vzduchom zmiešaným s trochou vodnej pary, aby sa na povrch uhlíkových vlákien vrúbľovali rôzne aktívne funkčné skupiny (zvyčajne hydroxylové a karboxylové skupiny), čím sa dosiahnu hydrofilné účinky. V dôsledku oxidačného leptania sa zväčšuje špecifický povrch uhlíkových vlákien a zväčšujú sa aktívne miesta, čím sa vytvárajú dobre aktivované hydrofilné elektródové materiály. Tento proces sa vyznačuje jednoduchosťou, pohodlnosťou a nízkymi nákladmi. Má však nevýhodu, že nie je možné presne kontrolovať podiel a množstvo funkčných skupín obsahujúcich kyslík. Chemické väzby hydroxylových a karboxylových skupín na uhlíkových vláknach sú náchylné na zlomenie a deaktiváciu; proces aktivácie oxidácie vedie k objaveniu sa oxidovaného grafitu na povrchu grafitizovaných uhlíkových vlákien, čo vedie k zlej vodivosti; zväčšenie špecifického povrchu v dôsledku procesu oxidačnej aktivácie je extrémne nízke, zvyčajne nepresahuje 2 m2/g, a zvýšenie reakčných miest je relatívne malé.

Náš aktivačný proces zahŕňa ukladanie uhlíkových nanorúrok na povrch grafitizovaných uhlíkových vlákien prostredníctvom kontinuálneho procesu naparovania. Riadením prietoku plynu a tlakových podmienok sú uhlíkové nanorúrky rovnomerne potiahnuté na povrchu uhlíkových vlákien (kvôli absencii katalyzátorov môžu uhlíkové nanorúrky priľnúť a rásť len na uhlíkových vláknach, čo následne vedie k tesnému povlaku uhlíkových nanorúriek, ktorý neopadáva). Potom sa prostredníctvom nitridácie navrúbľujú pyrolové a pyridínové štruktúry, aby sa inhibovala vedľajšia reakcia na vývoj vodíka. Nakoniec sa v niekoľkých teplotných zónach vyskytujú oxidačné reakcie, aby sa na povrch vrúbľovali funkčné skupiny obsahujúce kyslík.

Charakteristiky tohto procesu sú:

1. Kapilárny jav vytvorený ukladaním uhlíkových nanorúriek dosahuje hydrofilné účinky fyzikálnou metódou, čím je menej náchylný na deaktiváciu;

2. Špecifický povrch je veľký, typicky ≥10㎡/g, čo je 5-10-násobok oproti konvenčným procesom;

3. Minimálne oxidačné leptanie a vnútorný odpor elektródy je nízky. Tento proces sa líši od bežných metód oxidačnej aktivácie, ktoré poškodzujú uhlíkové vlákna. Nielenže nepoškodzuje uhlíkové vlákna, ale tiež pomáha zvyšovať vodivosť a pevnosť uhlíkových vlákien a môže dokonca produkovať tvrdé elektródy prostredníctvom vysokého nanášania. Vo všeobecnosti je napäťová účinnosť 2,5 mm elektródy vo všeobecnosti ≥ 88 %, zatiaľ čo napäťová účinnosť elektródy s hrúbkou 4, 35 mm je vo všeobecnosti ≥ 87 %, čo demonštruje vynikajúci výkon. Naša spoločnosť má v Číne prvú kontinuálnu pec na naparovanie CVD, ktorá sa používa na in-situ rast CNT prostredníctvom naparovania CVD. Prekonalo viac ako 10 000 cyklov so stratou cyklu ≤ 0,5 %. Špecifická plocha povrchu elektródových plstí a elektródových látok je typicky okolo 12 µm/g, pričom najvyššia dosiahnuteľná hodnota je 600 µg/g. CNT majú priemer 8-10nm a dĺžku 100-200nm.