改性碳毡电极材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及碳毡电极材料，尤其涉及改性碳毡电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、为了满足不断增长的全球人口对能源的需求，预计到2050年，世界能源消耗将比现在高出一倍左右。由于化石燃料资源的有限和全球气候变化的影响，需要在不产生大量co2排放的情况下实现能源的可持续增长，因此社会也越来越关注能源可持续发展问题，目前最为突出的是电化学储能技术。

2、碳毡电极材料作为电化学储能中的重要组成部分，具有三维多孔结构，不会对电解液的流动产生较大的压力，有利于活性物质的传导。但是由于其本身较差的亲水性和电化学性能，制约了其商业化的发展。

3、现有技术中，有研究学者通过热处理法提升碳毡材料表面的含氧基团，从而提升碳毡材料的亲水性，但是发现，高温煅烧后会导致碳毡的三维结构容易发生坍塌，最终导致碳毡材料传递活性物质的能力下降。也有研究学者通过在碳毡材料的表面浸泡一层碳源，从而提升碳毡的电化学性能，但是发现沉积的碳源均匀性较差，导致碳毡材料改性不完全，最终导致碳毡材料的性能改善不明显。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了改性碳毡电极材料及其制备方法和应用，本发明方法对碳毡进行改性，提升了碳毡材料的电化学性能和亲水性，使得本发明获得的碳毡材料可用于电极材料。

2、本发明提供了改性碳毡电极材料的制备方法，包括如下步骤：

3、将碳毡材料浸泡在硝酸铜溶液中，对浸泡后的碳毡材料进行煅烧，获得碳毡电极材料中间体，将碳毡电极材料中间体采用等离子增强化学气相沉淀法处理，在等离子增强化学气相沉淀法处理时通入氧气，设置处理时的氧气流量、处理功率、电流、电压；然后将处理后的产物放入化学气相沉积炉中进行气相碳沉积，获得改性碳毡电极材料。

4、进一步的，所述硝酸铜溶液的摩尔浓度为10mol/l-20mol/l；

5、所述浸泡的时间为2.5h-4h。

6、进一步的，所述煅烧采用阶段性煅烧，第一阶段的煅烧温度为800℃-850℃，第一阶段的保持时间为1h-1.5h；第二阶段的煅烧温度为1000℃-1050℃，第二阶段的保持时间为1.5h-2h。

7、进一步的，达到所述第一阶段的煅烧温度的升温速率为3℃/min-4℃/min；

8、达到所述第二阶段的煅烧温度的升温速率为1℃/min-2℃/min。

9、进一步的，所述氧气流量为150ml/min-200ml/min，处理功率为60w-65w；电流为不大于1.5a，且大于1a；电压为不大于150kv，且大于100kv。

10、进一步的，所述将处理后的产物放入化学气相沉积炉中沉积气相碳包括以下步骤：将处理后的产物放入化学气相沉积炉，调整气相碳源的气流量为500ml/min-800ml/min，反应温度为1300℃-1500℃，反应时间为0.5h-1h。

11、进一步的，达到所述反应温度的升温速率为3℃/min-5℃/min。

12、进一步的，所述气相碳包括甲烷、乙炔、乙烯中的一种或多种。

13、本发明还提供了所述制备方法获得的改性碳毡电极材料。

14、本发明还提供了所述改性碳毡电极材料在电化学储能设备中的应用。

15、本发明实施例具有以下技术效果：

16、1、首先将碳毡浸泡于硝酸铜溶液中，使得铜离子能充分且均匀的分布在碳毡材料的三维结构中，从而有利于在煅烧过程中，二价铜能被完全变成单质铜和少量的氧化亚铜时，单质铜能均匀分散在三维结构中。第一，单质铜可支撑三维结构，防止在气相碳沉积过程中结构的坍塌；第二，单质铜可以提升电极材料的电化学性能；第三，气相碳沉积形成石墨烯层，单质铜可以促进石墨烯出现缺陷位点，从而促进石墨烯的活性中心的生成，增加石墨烯的化学活性，从而进一步提升电极材料化学性能。形成的少量氧化亚铜也可以提高活性物质的电化学活性，有利于提升电池的能量密度和循环性能。碳毡电极材料中间体采用等离子增强化学气相沉淀法处理，使得碳毡电极材料中间体的表面附着有羰基和羧基，在进行气相碳沉淀后，高温下羧基被氧化形成羰基，形成的羰基一方面能提升碳毡电极材料的亲水性，另一方面，羰基和单质铜的相互作用下，促使气相碳能均匀的沉积在碳毡电极材料的表面，从而有利于提升碳毡电极材料的电化学性能。

17、2、在本发明方法中，还进一步设计硝酸铜的浓度和浸泡的时间，一方面是为了在煅烧过程中能获得足够的铜单质和氧化亚铜，使得气相碳沉积的均匀性好，还可以提升碳毡电极材料的电化学性能，另一方面，能使得铜单质均匀且充足分布在三维结构中，用于支撑在煅烧和气相碳沉积后的碳毡材料的三维结构，从而有利于活性物质能在电极材料中穿梭。在此基础上，还考虑了煅烧的升温速率，一方面保证了结构的稳定，为后期气相碳的均匀沉淀奠定基础；另一方面避免了二价铜的残留，使得全部二价铜能转化为单质铜，从而有利于提升电极材料的电化学性能。通过等离子增强化学气相沉淀法使得碳毡材料的表面具有足够多且均匀分散的羰基和羧基，一方面是为了气相碳的均匀沉积，另一方面则是能对碳毡材料的亲水性能的改善。在气相碳沉淀过程中，控制气相碳沉淀的温度、流速和升温速率，不仅能减少气相碳沉积过程中的副反应，从而保证了碳毡材料的电化学性能，还可以促进沉积的均匀性。

18、3、在本发明的方法简单容易实现，可进行工业化生产。

19、4、本发明方法获得的改性碳毡电极材料不仅具有较好的电化学性能，还具有较好的亲水性能。

技术特征：

1.改性碳毡电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的改性碳毡电极材料的制备方法，其特征在于，所述硝酸铜溶液的摩尔浓度为10mol/l-20mol/l；

3.根据权利要求1所述的改性碳毡电极材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧采用阶段性煅烧，第一阶段的煅烧温度为800℃-850℃，第一阶段的保持时间为1h-1.5h；第二阶段的煅烧温度为1000℃-1050℃，第二阶段的保持时间为1.5h-2h。

4.根据权利要求3所述的改性碳毡电极材料的制备方法，其特征在于，达到所述第一阶段的煅烧温度的升温速率为3℃/min-4℃/min；

5.根据权利要求1所述的改性碳毡电极材料的制备方法，其特征在于，所述氧气流量为150ml/min-200ml/min，处理功率为60w-65w；电流为不大于1.5a，且大于1a；电压为不大于150kv，且大于100kv。

6.根据权利要求1所述的改性碳毡电极材料的制备方法，其特征在于，所述将处理后的产物放入化学气相沉积炉中沉积气相碳包括以下步骤：将处理后的产物放入化学气相沉积炉，调整气相碳源的气流量为500ml/min-800ml/min，反应温度为1300℃-1500℃，反应时间为0.5h-1h。

7.根据权利要求6所述的改性碳毡电极材料的制备方法，其特征在于，达到所述反应温度的升温速率为3℃/min-5℃/min。

8.根据权利要求6所述的改性碳毡电极材料的制备方法，其特征在于，所述气相碳包括甲烷、乙炔、乙烯中的一种或多种。

9.权利要求1-8任一项所述的制备方法获得的改性碳毡电极材料。

10.权利要求9所述的改性碳毡电极材料在电化学储能设备中的应用。

技术总结本发明涉及碳毡电极材料技术领域，公开了改性碳毡电极材料及其制备方法和应用，包括如下步骤：将碳毡材料浸泡在硝酸铜溶液中，对浸泡后的碳毡材料进行煅烧，获得碳毡电极材料中间体，将碳毡电极材料中间体采用等离子增强化学气相沉淀法处理，在等离子增强化学气相沉淀法处理时通入氧气，设置处理时的氧气流量、处理功率、电流、电压；然后将处理后的产物放入化学气相沉积炉中进行气相碳沉积，获得改性碳毡电极材料。本发明方法对碳毡材料进行改性，提升了碳毡材料的电化学性能和亲水性，使得本发明获得碳毡材料可用于电极材料。技术研发人员：张洪军,毕伟受保护的技术使用者：烟台奥森制动材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29