Strukturální a výkonnostní výhody elektrod průtokových baterií modifikovaných kontinuálním CVD ukládáním uhlíkových nanotrubic

Elektrody průtokových baterií jsou obecně vyrobeny z elektrodové plsti a elektrodové tkaniny. Proces zahrnuje výrobu předoxidovaného vlákna na plsť nebo látku pomocí textilní technologie, po níž následuje karbonizace, grafitizace a aktivace za účelem výroby elektrod. Nejkritičtějším krokem ovlivňujícím výkon materiálu elektrody je krok aktivace. Konvenční aktivační proces se provádí oxidační aktivací, typicky zahrnující vysokoteplotní tepelné zpracování vzduchem nebo vzduchem smíchaným s trochou vodní páry, za účelem naroubování různých aktivních funkčních skupin (obvykle hydroxylových a karboxylových skupin) na povrch uhlíkových vláken, čímž se dosáhne hydrofilních účinků. Díky oxidativnímu leptání se zvětší měrný povrch uhlíkových vláken a zesílí se aktivní místa, čímž vzniknou dobře aktivované hydrofilní elektrodové materiály. Tento proces se vyznačuje jednoduchostí, pohodlím a nízkou cenou. Má však nevýhodu, že není možné přesně řídit podíl a množství funkčních skupin obsahujících kyslík. Chemické vazby hydroxylových a karboxylových skupin na uhlíkových vláknech jsou náchylné k lámání a deaktivaci; proces oxidační aktivace vede ke vzniku oxidovaného grafitu na povrchu grafitizovaných uhlíkových vláken, což má za následek špatnou vodivost; zvýšení specifického povrchu v důsledku procesu oxidační aktivace je extrémně nízké, obvykle nepřesahující 2 m2/g, a zvýšení reakčních míst je relativně malé.

Náš aktivační proces zahrnuje ukládání uhlíkových nanotrubic na povrch grafitizovaných uhlíkových vláken prostřednictvím kontinuálního procesu napařování. Řízením průtoku plynu a tlakových podmínek jsou uhlíkové nanotrubice rovnoměrně potaženy na povrchu uhlíkových vláken (kvůli nepřítomnosti katalyzátorů mohou uhlíkové nanotrubice přilnout a růst pouze na uhlíkových vláknech, což následně vede k těsnému povlaku uhlíkových nanotrubiček, který neopadává). Poté se prostřednictvím nitridace roubují pyrrolové a pyridinové struktury, aby se inhibovala vedlejší reakce vývoje vodíku. Nakonec dochází v několika teplotních zónách k oxidačním reakcím k naroubování funkčních skupin obsahujících kyslík na povrch.

Charakteristiky tohoto procesu jsou:

1. Kapilární jev vzniklý ukládáním uhlíkových nanotrubiček dosahuje fyzikální metodou hydrofilních účinků, čímž je méně náchylný k deaktivaci;

2. Specifickéký povrch je velký, typicky ≥10㎡/g, což je 5-10krát větší než u konvenčních procesů;

3. Dochází k minimálnímu oxidačnímu leptání a vnitřní odpor elektrody je nízký. Tento proces se liší od běžných metod oxidační aktivace, které poškozují uhlíková vlákna. Nejen, že nepoškozuje uhlíková vlákna, ale také pomáhá zvyšovat vodivost a pevnost uhlíkových vláken a může dokonce produkovat tvrdé elektrody díky vysokému nanášení. Obecně je napěťová účinnost 2,5 mm elektrody obecně ≥ 88 %, zatímco napěťová účinnost 4,35 mm tlusté elektrody je obecně ≥ 87 %, což prokazuje vynikající výkon. Naše společnost má první kontinuální pec CVD napařování v Číně, která se používá pro in-situ růst CNT prostřednictvím CVD napařování. Prošlo více než 10 000 cykly se ztrátou cyklu ≤ 0,5 %. Specifická povrchová plocha elektrodových plstí a elektrodových tkanin je typicky kolem 12 ㎡/g, přičemž nejvyšší dosažitelná je 600 ㎡/g. CNT mají průměr 8-10nm a délku 100-200nm.