一種液流儲(chǔ)能電池用雙極板及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種液流儲(chǔ)能電池雙極板及其制備方法，所述雙極板采用厚度為0.5-5mm的碳塑復(fù)合板作為基體材料，在基體一側(cè)或兩側(cè)表面涂覆有導(dǎo)電層，導(dǎo)電層厚度為1-1000μm。本發(fā)明專利技術(shù)雙極板結(jié)合了碳塑復(fù)合板和石墨板的優(yōu)點(diǎn)，降低了電極和雙極板間的接觸電阻，最終降低了液流儲(chǔ)能電池的歐姆內(nèi)阻。本發(fā)明專利技術(shù)提高了液流儲(chǔ)能電池的能量效率和電壓效率，從而提高了其工作電流密度，使得相同輸出功率的電池重量、體積以及成本均降低。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

[0001 ] 本專利技術(shù)涉及化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中的液流儲(chǔ)能電池領(lǐng)域,特別涉及液流儲(chǔ)能電池雙極板及其制備方法。
技術(shù)介紹
全釩液流儲(chǔ)能電池因其具有輸出功率和容量相互獨(dú)立，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活；能量效率高，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性高，自放電低；選址自由度大，無(wú)污染、維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本低，安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在規(guī)模儲(chǔ)能方面具有廣闊的發(fā)展前景，被認(rèn)為是解決太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)隨機(jī)性和間歇性非穩(wěn)態(tài)特征的有效方法，在可再生能源發(fā)電和智能電網(wǎng)建設(shè)中有著重大需求。雙極板作為液流儲(chǔ)能電池的關(guān)鍵部件，起著將單電池串聯(lián)起來(lái)組成電堆的作用，需要具有良好的導(dǎo)電性、阻液性、化學(xué)穩(wěn)定性以及一定的機(jī)械強(qiáng)度。目前主要用到的雙極板材料為硬質(zhì)石墨板和碳塑復(fù)合材料。硬質(zhì)石墨板具有電導(dǎo)率高、阻液性和化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但高成本、機(jī)械性能差限制了其實(shí)際應(yīng)用。碳塑復(fù)合材料是目前廣受關(guān)注的一種雙極板材料，主要優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。然而，這種材料導(dǎo)電性較差，尤其是由于含有一定數(shù)量的不導(dǎo)電聚合物，使得雙極板表面由導(dǎo)電顆粒和不導(dǎo)電聚合物組成，多孔電極與其接觸時(shí)，一部分接觸點(diǎn)是接觸到不導(dǎo)電聚合物上的，無(wú)法形成導(dǎo)電通路，從而造成雙極板與電極材料的接觸電阻較大，增大了電池的歐姆內(nèi)阻，降低了電池性能。目前已公開(kāi)的專利文獻(xiàn)中針對(duì)減小電極雙極板間接觸電阻的方法主要有:研究和開(kāi)發(fā)電極與雙極板一體化的復(fù)合電極，即一體化電極雙極板來(lái)降低電極雙極板間的接觸電阻。如CN 101009376A中公開(kāi)的，將雙極板與多孔電極通過(guò)導(dǎo)電粘結(jié)材料粘結(jié)在一起形成一體化電極雙極板。然而，由于導(dǎo)電粘結(jié)材料也是由導(dǎo)電填料和有機(jī)聚合物混合而成的，并不能保證多孔電極與雙極板的每個(gè)接觸點(diǎn)都可以構(gòu)成導(dǎo)電通路，從而無(wú)法最大限度的降低接觸電阻，因此對(duì)于電壓效率和能量效率的提高程度有限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)目的在于提供一種具有低電極雙極板接觸電阻的液流儲(chǔ)能電池用雙極板及其制備方法，提高電池的工作電流密度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為:—種液流儲(chǔ)能電池用雙極板,所述雙極板采用厚度為0.5-5mm (優(yōu)選的碳塑復(fù)合板作為基體材料，在基體一側(cè)或兩側(cè)表面涂覆有導(dǎo)電層，導(dǎo)電層厚度為1-1000 μ m，優(yōu)選 2-200 μ m。導(dǎo)電層為碳粉或碳粉與粘結(jié)劑組成的混合物，其中碳粉和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為7/1 ?100/1，優(yōu)選 9/1 ?20/1。所述碳粉為石墨粉、膨脹石墨粉、碳黑、碳纖維粉末、乙炔黑、碳納米管或碳納米纖維中的一種或二種以上；所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。所述碳塑復(fù)合板由聚合物樹(shù)脂和碳塑導(dǎo)電填料組成。共混后采用模壓或擠出壓延成型工藝制備而成，其中聚合物樹(shù)脂和導(dǎo)電填料的質(zhì)量比為1/6~4/1，優(yōu)選1/4~1/1。所述聚合物樹(shù)脂為熱塑性樹(shù)脂或熱固性樹(shù)脂中的一種或兩者的混合物；所述熱塑性樹(shù)脂為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、氟樹(shù)脂、聚砜、聚醚砜、酚醛樹(shù)脂中的一種或二種以上；熱固性樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂或有機(jī)硅樹(shù)脂中的一種或二者混合物；所述碳塑導(dǎo)電填料為石墨、碳黑、碳纖維、石墨纖維、乙炔黑、碳納米管或碳納米纖維中的一種或二種以上；所述雙極板具體制備方法如下，( I)按比例將聚合物樹(shù)脂和碳塑導(dǎo)電填料混合均勻，可采用高速攪拌加混煉的方式或者溶液法混合方式；(2)將混合料進(jìn)行混煉造粒，并采用模壓工藝或擠出壓延成型工藝制備碳塑復(fù)合板；(3)將碳粉加入乙醇溶劑中或者將碳粉和粘結(jié)劑共混后加入乙醇或NMP溶劑中，混合均勻配成漿料，在碳塑復(fù)合板一側(cè)表面或兩側(cè)表面通過(guò)噴涂、刮涂或涂布方法平鋪漿料，然后干燥除去溶劑；(4)將步驟(3)的碳塑復(fù)合板放入模具中，進(jìn)行熱壓制備雙極板。所述聚合物樹(shù)脂和導(dǎo)電填料的質(zhì)量比為1/6~4/1 ；所述碳粉和粘結(jié)劑質(zhì)量比為7/1~100/1，優(yōu)選9/1~20/1。漿料溶質(zhì)濃度為1~200g/L ；所述熱壓溫度為100~300℃，熱壓壓力為5~50MPa，熱壓時(shí)間為I~30min。所述步驟(1)中采用高速攪拌的方式，高速攪拌的轉(zhuǎn)速通常為1000~5000轉(zhuǎn)/分，攪拌次數(shù)I~10次，時(shí)間為I~10分鐘/次；所述步驟(2)中應(yīng)用密煉機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)對(duì)物料進(jìn)行混煉并造粒，混煉溫度通常為100~400°C，混煉時(shí)間通常為5~100分鐘。所述步驟(2)中應(yīng)用擠出機(jī)制備碳塑導(dǎo)電復(fù)合材料板，擠出機(jī)各工作段加熱溫度通常為100~400°C，擠出機(jī)擠出機(jī)頭溫度通常為100~400°C。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):(I)采用本專利技術(shù)的雙極板，與現(xiàn)有的碳塑復(fù)合材料雙極板相比，由于在雙極板表面有一層導(dǎo)電層，使得雙極板與多孔電極間的接觸點(diǎn)位均為導(dǎo)電點(diǎn)，從而能夠最大程度的利用雙極板與多孔電極表面的導(dǎo)電電位，構(gòu)筑更好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而降低了電極雙極板間的接觸電阻，有利于提高電池的電壓效率。(2)采用本專利技術(shù)的雙極板，與硬石墨板相比，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，可以改善液流儲(chǔ)能電池的組裝條件。(3)本專利技術(shù)提出的雙極板制備方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)過(guò)程容易控制，易于批量化制備，且所用原料價(jià)格低廉，可全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。【附圖說(shuō)明】圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例1中單電池在不同電流密度下的充放電曲線圖；具體實(shí)施例下面通過(guò)具體實(shí)施例詳述本專利技術(shù)。實(shí)施例1分別稱取聚丙烯5kg，石墨粉5kg，加入到高速攪拌器中，攪拌速度3000轉(zhuǎn)/分，攪拌時(shí)間10分鐘，攪拌次數(shù)2次。然后送入雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行混煉并造粒，得到導(dǎo)電母料，混煉溫度220°C，混煉時(shí)間20分鐘。然后將導(dǎo)電母料送入擠出機(jī)中，擠出機(jī)機(jī)頭溫度為220°C，擠出片材并壓延成型制得1_厚碳塑復(fù)合板。稱取IOOg石墨粉，加入IL乙醇中，攪拌混合均勻，用刮刀將其刮涂在碳塑復(fù)合板表面，厚度ΙΟΟμπι，然后干燥除去乙醇；繼而將其放入模具中，熱壓成型。熱壓溫度為200°C，熱壓壓力為20MPa，熱壓時(shí)間為5min。熱壓后導(dǎo)電層厚度為50 μ m。分別測(cè)試本實(shí)施例雙極板和未表面涂層碳塑復(fù)合板與碳?xì)值慕佑|電阻，結(jié)果表明，相對(duì)于未表面涂層碳塑復(fù)合板，本實(shí)施例雙極板的接觸電阻從IOOmQcm2降到了38m Ω cm2，降低了 62%。用本實(shí)施例雙極板組裝成全釩液流單電池，正極電解液為1.5M VO2+的3M &504溶液40ml，負(fù)極電解液為1.5M V3+的3M H2SO4溶液40ml。電池在不同電流密度下的充放電曲線如圖1所示。采用本專利技術(shù)雙極板的單電池，電流密度為80mA/cm2時(shí)，電壓效率和能量效率分別為87.2%和83.2% ;電流密度為lOOmA/cm2時(shí)，電壓效率和能量效率也分別達(dá)到了83.9%和80%。與比較例相比有明顯提高。比較例分別稱取聚丙烯5kg，石墨粉5kg，加入到高速攪拌器中，攪拌速度3000轉(zhuǎn)/分，攪拌時(shí)間10分鐘，攪拌次數(shù)2次。然后送入雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行混煉并造粒，得到導(dǎo)電母料，混煉溫度220°C，混煉時(shí)間20分鐘。然后將導(dǎo)電母料送入擠出機(jī)中，擠出機(jī)機(jī)頭溫度為220°C，擠出片材并壓延成型制得1_厚碳塑復(fù)合板。該碳塑復(fù)合板與碳?xì)值慕佑|電阻為lOOmQcm2。用本比較例碳塑復(fù)合板作雙極板組裝成全釩液流單電池，正極電解液為1.5M VO2+的3M H2SO4溶液40ml，負(fù)極電解液為1.5MV3+的3M H2SO4溶液40ml。采用本比較例雙極板的單電池，電本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種液流儲(chǔ)能電池用雙極板，其特征在于：所述雙極板采用厚度為0.5?5mm的碳塑復(fù)合板作為基體材料，在基體一側(cè)或兩側(cè)表面涂覆有導(dǎo)電層，導(dǎo)電層厚度為1?1000μm。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種液流儲(chǔ)能電池用雙極板,其特征在于:所述雙極板采用厚度為0.5-5mm的碳塑復(fù)合板作為基體材料，在基體一側(cè)或兩側(cè)表面涂覆有導(dǎo)電層，導(dǎo)電層厚度為1-1000 μ m。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙極板，其特征在于:導(dǎo)電層為碳粉或碳粉與粘結(jié)劑組成的混合物，混合物中碳粉和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為7/1~100/1。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述雙極板，其特征在于:所述碳粉為石墨粉、膨脹石墨粉、碳黑、碳纖維粉末、乙炔黑、碳納米管或碳納米纖維中的一種或二種以上；所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙極板，其特征在于:所述碳塑復(fù)合板由聚合物樹(shù)脂和碳素導(dǎo)電填料組成；它們共混后采用模壓或擠出壓延成型工藝制備而成，其中聚合物樹(shù)脂和碳素導(dǎo)電填料的質(zhì)量比為1/6~4/1。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述雙極板，其特征在于:所述聚合物樹(shù)脂為熱塑性樹(shù)脂或熱固性樹(shù)脂中的一種或兩者的混合物； 所述熱塑性樹(shù)脂為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、氟樹(shù)脂、聚砜、聚醚砜、酚醛樹(shù)脂中的一種或二種以上；熱固性樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂或有...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張華民，劉濤，姚川，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：