Structurele en prestatievoordelen van stroombatterij-elektroden gemodificeerd door continue CVD-koolstofnanobuisjesafzetting

De elektroden van flowbatterijen zijn over het algemeen gemaakt van elektrodevilt en elektrodedoek. Het proces omvat het maken van de voorgeoxideerde vezel tot vilt of stof door middel van textieltechnologie, gevolgd door carbonisatie, grafitisering en activering om de elektroden te produceren. De meest kritische stap die de prestatie van het elektrodemateriaal beïnvloedt, is de activeringsstap. Het conventionele activeringsproces wordt uitgevoerd door middel van oxidatie-activering, waarbij doorgaans sprake is van hittebehandeling bij hoge temperatuur met lucht of lucht gemengd met wat waterdamp, om verschillende actieve functionele groepen (meestal hydroxyl- en carboxylgroepen) op het oppervlak van de koolstofvezels te enten, waardoor hydrofiele effecten worden bereikt. Als gevolg van oxidatief etsen wordt het specifieke oppervlak van de koolstofvezels vergroot en worden de actieve plaatsen verbeterd, waardoor goed geactiveerde hydrofiele elektrodematerialen worden geproduceerd. Dit proces wordt gekenmerkt door eenvoud, gemak en lage kosten. Het heeft echter het nadeel dat het niet in staat is het aandeel en de hoeveelheid zuurstofhoudende functionele groepen nauwkeurig te controleren. De chemische bindingen van hydroxyl- en carboxylgroepen op de koolstofvezels zijn gevoelig voor breuk en deactivering; het oxidatie-activatieproces leidt tot het verschijnen van geoxideerd grafiet op het oppervlak van gegrafitiseerde koolstofvezels, wat resulteert in een slechte geleidbaarheid; de toename van het specifieke oppervlak als gevolg van het oxidatie-activatieproces is extreem laag, gewoonlijk niet groter dan 2 m²/g, en de toename van het aantal reactieplaatsen is relatief klein.

Ons activeringsproces omvat het afzetten van koolstofnanobuisjes op het oppervlak van gegrafitiseerde koolstofvezels via een continu dampafzettingsproces. Door de gasstroom- en drukomstandigheden te regelen, worden de koolstofnanobuisjes gelijkmatig op het oppervlak van de koolstofvezels gecoat (door de afwezigheid van katalysatoren kunnen de koolstofnanobuisjes alleen hechten en groeien op de koolstofvezels, wat op zijn beurt resulteert in een strakke coating van koolstofnanobuisjes die er niet af valt). Vervolgens worden door nitridatie pyrrool- en pyridinestructuren geënt om de nevenreactie van waterstofontwikkeling te remmen. Ten slotte vinden er in verschillende temperatuurzones oxidatiereacties plaats om zuurstofhoudende functionele groepen op het oppervlak te enten.

De kenmerken van dit proces zijn:

1. Het capillaire fenomeen dat wordt gevormd door het afzetten van koolstofnanobuisjes bereikt hydrofiele effecten via een fysieke methode, waardoor het minder vatbaar is voor deactivering;

2. Het specifieke oppervlak is groot, doorgaans ≥10㎡/g, wat 5-10 maal groter is dan bij conventionele processen;

3. Er is minimale oxidatie-etsing en de interne weerstand van de elektrode is laag. Dit proces verschilt van conventionele oxidatie-activeringsmethoden die koolstofvezels beschadigen. Het beschadigt niet alleen de koolstofvezels niet, maar helpt ook de geleidbaarheid en sterkte van koolstofvezels te vergroten, en kan zelfs harde elektroden produceren door hoge afzetting. Over het algemeen is de spanningsefficiëntie van een elektrode van 2,5 mm over het algemeen ≥88%, terwijl die van een elektrode met een dikte van 4,35 mm over het algemeen ≥87% is, wat uitstekende prestaties aantoont. Ons bedrijf beschikt over de eerste oven voor continue CVD-dampafzetting in China, die wordt gebruikt voor in-situ groei van CNT's door middel van CVD-dampafzetting. Het heeft meer dan 10.000 cycli ondergaan met een cyclusverlies van ≤0,5%. Het specifieke oppervlak van elektrodevilt en elektrodedoek ligt doorgaans rond de 12 ㎡/g, waarbij het hoogst haalbare 600 ㎡/g is. De CNT's hebben een diameter van 8-10 nm en een lengte van 100-200 nm.