电池碳毡集流体等离子亲水改性处理

碳毡是一种工业纺织材料,由无规取向和缠绕的碳纤维组成。由于其三维网络结构、高导电性、良好的化学和电化学稳定性,已被用作氧化还原液流电池、燃料电池、电化学太阳能电池、锂离子电池和超级电容器中的柔性集流体。其他碳材料如玻璃碳、碳纸,海绵碳等也被用作电极,但是它们和碳毡相比,均存在一些局限性,例如价格贵,稳定性差等。相比之下,碳毡具有电阻低、比表面积大、孔隙率高、导电性好、稳定性高、成本低等优点,为电化学反应提供丰富的氧化还原反应位点,所以选择碳毡作为铅锰电池的正极集流体。

碳毡由于其具有疏水性,在水中润湿性差,电解液利用效率低,电化学活性不足,通常都是进行改性之后在将其作为电池的集流体进行应用。目前,碳毡改性的方法有等离子体改性、热处理改性、化学处理改性、金属改性、聚合物改性、碳碳复合改性等。

等离子体处理

等离子体被认为是除固体、液体和气体之外的物质的第四种状态,它含有原子、分子、正负离子,活性自由基等,其中正负粒子数量相等。

低温等离子体中的活性物种和光辐射可以破坏材料表面的结构和化学键,化学键断裂形成的自由基又会重新键合成新的网状结构,从而改变材料表面的性质。同时,等离子体中的高能活性粒子在轰击材料表面时具有刻蚀作用,使得表面产生凹陷或纹理,导致表面粗糙度的改变。

等离子体处理的目的是在碳毡表面生长含氧官能团或者进行氮掺杂,从而提高碳毡亲水性,增加电化学活性,等离子体的处理对碳毡比表面积改变不大,主要是增加官能团的数量。

碳毡等离子处理亲水性测试

图1.1为等离子改性前后碳毡亲水性测试图,使用接触角测量仪测量碳毡与水之间的接触角。从图中可以看出,改性前碳毡具有疏水性,亲水性很差,接触角为106.2°,这导致电解液利用效率低。经过改性之后,接触角从106.2°变为0°,亲水性显著提升,使得电解液利用效率增加。

碳毡等离子改性前后水滴接触角a处理前，b处理后

碳毡等离子处理亲水性变化视频

等离子处理可以在碳毡表面引入亲水基团,增加了表面粗糙度,为氧化还原反应提供了更多的活性位点,并增加了反应面积,从而提高电池的性能。低温等离子体处理技术能耗低,重要的是不会产生化学废物,对环境友好,同时,低温等离子体技术也无需使用任何溶剂即可改变材料性能。