碳氈是一種工業(yè)紡織材料,由無規(guī)取向和纏繞的碳纖維組成。由于其三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、高導電性、良好的化學和電化學穩(wěn)定性,已被用作氧化還原液流電池、燃料電池、電化學太陽能電池、鋰離子電池和超級電容器中的柔性集流體。其他碳材料如玻璃碳、碳紙,海綿碳等也被用作電極,但是它們和碳氈相比,均存在一些局限性,例如價格貴,穩(wěn)定性差等。相比之下,碳氈具有電阻低、比表面積大、孔隙率高、導電性好、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點,為電化學反應提供豐富的氧化還原反應位點,所以選擇碳氈作為鉛錳電池的正極集流體。

碳氈由于其具有疏水性,在水中潤濕性差,電解液利用效率低,電化學活性不足,通常都是進行改性之后在將其作為電池的集流體進行應用。目前,碳氈改性的方法有等離子體改性、熱處理改性、化學處理改性、金屬改性、聚合物改性、碳碳復合改性等。

等離子體處理

等離子體被認為是除固體、液體和氣體之外的物質(zhì)的第四種狀態(tài),它含有原子、分子、正負離子,活性自由基等,其中正負粒子數(shù)量相等。

低溫等離子體中的活性物種和光輻射可以破壞材料表面的結(jié)構(gòu)和化學鍵,化學鍵斷裂形成的自由基又會重新鍵合成新的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而改變材料表面的性質(zhì)。同時,等離子體中的高能活性粒子在轟擊材料表面時具有刻蝕作用,使得表面產(chǎn)生凹陷或紋理,導致表面粗糙度的改變。

等離子體處理的目的是在碳氈表面生長含氧官能團或者進行氮摻雜,從而提高碳氈親水性,增加電化學活性,等離子體的處理對碳氈比表面積改變不大,主要是增加官能團的數(shù)量。

碳氈等離子處理親水性測試

圖1.1為等離子改性前后碳氈親水性測試圖,使用接觸角測量儀測量碳氈與水之間的接觸角。從圖中可以看出,改性前碳氈具有疏水性,親水性很差,接觸角為106.2°,這導致電解液利用效率低。經(jīng)過改性之后,接觸角從106.2°變?yōu)?°,親水性顯著提升,使得電解液利用效率增加。

碳氈等離子改性前后水滴接觸角a處理前，b處理后

碳氈等離子處理親水性變化視頻

等離子處理可以在碳氈表面引入親水基團,增加了表面粗糙度,為氧化還原反應提供了更多的活性位點,并增加了反應面積,從而提高電池的性能。低溫等離子體處理技術(shù)能耗低,重要的是不會產(chǎn)生化學廢物,對環(huán)境友好,同時,低溫等離子體技術(shù)也無需使用任何溶劑即可改變材料性能。