Vantagens estruturais e de desempenho de eletrodos de bateria de fluxo modificados por deposição contínua de nanotubos de carbono CVD

Os eletrodos das baterias de fluxo são geralmente feitos de feltro e tecido de eletrodo. O processo envolve transformar a fibra pré-oxidada em feltro ou tecido por meio da tecnologia têxtil, seguida de carbonização, grafitização e ativação para produção dos eletrodos. A etapa mais crítica que afeta o desempenho do material do eletrodo é a etapa de ativação. O processo de ativação convencional é realizado através da ativação por oxidação, normalmente envolvendo tratamento térmico em alta temperatura com ar ou ar misturado com algum vapor de água, para enxertar diferentes grupos funcionais ativos (geralmente grupos hidroxila e carboxila) na superfície das fibras de carbono, alcançando efeitos hidrofílicos. Devido ao ataque oxidativo, a área superficial específica das fibras de carbono é aumentada e os sítios ativos são melhorados, produzindo assim materiais de eletrodo hidrofílicos bem ativados. Este processo é caracterizado pela simplicidade, conveniência e baixo custo. Contudo, tem a desvantagem de ser incapaz de controlar com precisão a proporção e quantidade de grupos funcionais contendo oxigênio. As ligações químicas dos grupos hidroxila e carboxila nas fibras de carbono são propensas à quebra e desativação; o processo de ativação da oxidação leva ao aparecimento de grafite oxidada na superfície das fibras de carbono grafitadas, resultando em baixa condutividade; o aumento da área superficial específica devido ao processo de ativação da oxidação é extremamente baixo, geralmente não excedendo 2 m²/g, e o aumento nos locais de reação é relativamente pequeno.

Nosso processo de ativação envolve a deposição de nanotubos de carbono na superfície de fibras de carbono grafitadas por meio de um processo contínuo de deposição de vapor. Ao controlar o fluxo de gás e as condições de pressão, os nanotubos de carbono são revestidos uniformemente na superfície das fibras de carbono (devido à ausência de catalisadores, os nanotubos de carbono só podem aderir e crescer nas fibras de carbono, o que por sua vez resulta num revestimento apertado de nanotubos de carbono que não cai). Então, através da nitretação, estruturas de pirrol e piridina são enxertadas para inibir a reação colateral de evolução do hidrogênio. Finalmente, as reações de oxidação ocorrem em diversas zonas de temperatura para enxertar grupos funcionais contendo oxigênio na superfície.

As características deste processo são:

1. O fenômeno capilar formado pela deposição de nanotubos de carbono atinge efeitos hidrofílicos por meio de método físico, tornando-o menos sujeito à desativação;

2. A área de superfície específica é grande, normalmente ≥10㎡/g, que é 5 a 10 vezes maior que a dos processos convencionais;

3. Há corrosão mínima por oxidação e a resistência interna do eletrodo é baixa. Este processo difere dos métodos convencionais de ativação por oxidação que danificam as fibras de carbono. Não só não danifica as fibras de carbono, mas também ajuda a aumentar a condutividade e a resistência das fibras de carbono, podendo até produzir eletrodos duros por meio de alta deposição. Geralmente, a eficiência de tensão de um eletrodo de 2,5 milímetros é geralmente ≥88%, enquanto a de um eletrodo de 4,35 mm de espessura é geralmente ≥87%, demonstrando excelente desempenho. Nossa empresa possui o primeiro forno contínuo de deposição de vapor CVD na China, que é usado para crescimento in-situ de CNTs através da deposição de vapor CVD. Passou por mais de 10.000 ciclos com uma perda de ciclo ≤0,5%. A área de superfície específica dos feltros e panos de eletrodo é normalmente em torno de 12㎡/g, sendo a mais alta alcançável 600㎡/g. Os CNTs têm um diâmetro de 8 a 10 nm e um comprimento de 100 a 200 nm.