碳氈是一種工業紡織材料,由無規取向和纏繞的碳纖維組成。由于其三維網絡結構、高導電性、良好的化學和電化學穩定性,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、穩定性高、成本低等優點,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的第四種狀態,它含有原子、分子、正負離子,活性自由基等,其中正負粒子數量相等。

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構和化學鍵,化學鍵斷裂形成的自由基又會重新鍵合成新的網狀結構,從而改變材料表面的性質。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。經過改性之后,接觸角從106.2°變為0°,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能耗低,重要的是不會產生化學廢物,對環境友好,同時,低溫等離子體技術也無需使用任何溶劑即可改變材料性能。