Zalety strukturalne i wydajnościowe elektrod akumulatorowych modyfikowanych przez ciągłe osadzanie nanorurek węglowych CVD

Elektrody akumulatorów przepływowych są zwykle wykonane z filcu elektrodowego i tkaniny elektrodowej. Proces obejmuje przekształcenie wstępnie utlenionego włókna w filc lub tkaninę za pomocą technologii tekstylnej, a następnie karbonizację, grafityzację i aktywację w celu wytworzenia elektrod. Najbardziej krytycznym etapem wpływającym na działanie materiału elektrody jest etap aktywacji. Konwencjonalny proces aktywacji przeprowadza się poprzez aktywację utleniania, zazwyczaj obejmującą obróbkę cieplną w wysokiej temperaturze za pomocą powietrza lub powietrza zmieszanego z pewną ilością pary wodnej, w celu zaszczepienia różnych aktywnych grup funkcyjnych (zwykle grup hydroksylowych i karboksylowych) na powierzchni włókien węglowych, uzyskując efekt hydrofilowy. W wyniku trawienia oksydacyjnego zwiększa się powierzchnia właściwa włókien węglowych i wzmacniane są miejsca aktywne, tworząc w ten sposób dobrze aktywowane hydrofilowe materiały elektrodowe. Proces ten charakteryzuje się prostotą, wygodą i niskim kosztem. Jednakże ma tę wadę, że nie jest w stanie dokładnie kontrolować proporcji i ilości grup funkcyjnych zawierających tlen. Wiązania chemiczne grup hydroksylowych i karboksylowych we włóknach węglowych są podatne na pękanie i dezaktywację; proces aktywacji utleniania prowadzi do pojawienia się utlenionego grafitu na powierzchni grafityzowanych włókien węglowych, co skutkuje słabą przewodnością; wzrost powierzchni właściwej w wyniku procesu aktywacji utleniania jest niezwykle niski, zwykle nie przekracza 2 m²/g, a wzrost miejsc reakcji jest stosunkowo niewielki.

Nasz proces aktywacji polega na osadzaniu nanorurek węglowych na powierzchni grafityzowanych włókien węglowych w drodze ciągłego procesu osadzania z fazy gazowej. Kontrolując warunki przepływu gazu i ciśnienia, nanorurki węglowe są równomiernie pokrywane na powierzchni włókien węglowych (ze względu na brak katalizatorów nanorurki węglowe mogą jedynie przylegać i rosnąć na włóknach węglowych, co z kolei skutkuje szczelną powłoką nanorurek węglowych, która nie odpada). Następnie, poprzez azotowanie, szczepi się struktury pirolu i pirydyny, aby zahamować uboczną reakcję wydzielania się wodoru. Wreszcie, reakcje utleniania zachodzą w kilku strefach temperatur, w celu zaszczepienia na powierzchni grup funkcyjnych zawierających tlen.

Charakterystyka tego procesu to:

1. Zjawisko kapilarne powstałe w wyniku osadzania nanorurek węglowych osiąga efekt hydrofilowy metodą fizyczną, dzięki czemu jest mniej podatne na dezaktywację;

2. Powierzchnia właściwa jest duża, zazwyczaj ≥10㎡/g, czyli 5-10 razy większa niż w przypadku procesów konwencjonalnych;

3. Wytrawianie utleniające jest minimalne, a rezystancja wewnętrzna elektrody jest niska. Proces ten różni się od konwencjonalnych metod aktywacji utleniającej, które uszkadzają włókna węglowe. Nie tylko nie uszkadza włókien węglowych, ale także pomaga zwiększyć przewodność i wytrzymałość włókien węglowych, a nawet może wytwarzać twarde elektrody poprzez duże osadzanie. Ogólnie rzecz biorąc, wydajność napięciowa elektrody o średnicy 2,5 mm wynosi zazwyczaj ≥88%, podczas gdy wydajność napięciowa elektrody o grubości 4,35 mm wynosi zazwyczaj ≥87%, co świadczy o doskonałej wydajności. Nasza firma posiada pierwszy w Chinach piec do ciągłego naparowywania CVD, który służy do wzrostu nanorurek CNT na miejscu poprzez naparowywanie CVD. Przeszedł ponad 10 000 cykli, przy utracie cyklu ≤0,5%. Powierzchnia właściwa filców i tkanin elektrodowych wynosi zazwyczaj około 12 ㎡/g, przy czym najwyższa osiągalna wartość wynosi 600 ㎡/g. Nanorurki CNT mają średnicę 8–10 nm i długość 100–200 nm.