CN102340009B

CN102340009B - 一种钒电池非金属电极材料及其制备方法

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Publication number: CN102340009B
Application number: CN2011102962568A
Authority: CN
Inventors: 陶淞祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: CN102340009A

Abstract

一种钒电池非金属电极材料及其制备方法，原料配方为：高密度聚乙烯10~30%；低密度聚乙烯20~40%；硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物1~3%；导电炭黑20~40%；石墨10~30%；乙烯-辛烯共聚物8~12%；烷基芳基磺酸钠2~5%；聚氧乙烯脂肪醇醚2~5%；硬脂酸1~3%。制备工艺是：通过均匀混合和混炼得到电极材料。本发明优点：材料结构相对紧密，不会发生脱落，污染电解液；加工成型性能好；不易被击穿，使用寿命长；原料容易获得，价格便宜，制备简单；无毒、无污染，适合于大量推广应用。

Description

一种钒电池非金属电极材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及钒电池技术领域，特别涉及一种钒电池的非金属电极材料及其制备方法。

背景技术

钒电池全称为全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Battery，缩写为VRB），它是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。在工作中钒电池是利用不同价态的钒离子间的氧化还原反应进行能量储存与转化的二次能源系统。其特点是：无排放污染、容量可调、循环寿命长、可深度大电流密度放电、充电迅速、能量转化率高。因此广泛应用于电站调峰、大模规光电转换、风能发电的储能、不间断电源以及应急电源等系统中。

目前，钒电池的电极材料主要为碳素类的石墨毡或碳毡，该材料具有电阻率低、稳定性好、比表面积大等优点。但石墨毡或碳毡存在下以缺点：1.结构疏松，在使用中材料容易脱落，污染电解液；2.强度差，在安装和使用中容易破碎；3.成型性能相对较差，给制作电极带来不便；4.容易击穿，造成电池短路，使用寿命短。为此，本发明从改进钒电池电极材料的角度，设计了一种新的钒电池非金属电极材料及其制备方法，以克服现有技术的不足。

发明内容

本发明提供一种钒电池非金属电极材料及其制备方法，旨在解决现有石墨毡或碳毡作为钒电池电极材料时所存在的问题，提高钒电池电极的性能。

为达到上述目的，本发明钒电池电极材料采用的技术方案是：一种钒电池非金属电极材料，其创新在于：所述非金属电极材料的原料配方由下列质量百分含量的物质组成：

（1）高密度聚乙烯（HDPE） 10~30%

其中，高密度聚乙烯的熔融指数为 2~4；

（2）低密度聚乙烯（LDPE） 20~40%

其中，低密度聚乙烯的熔融指数为 4~8；

（3）硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物 1~3%

其中，硬脂酸钙与硬脂酸锌的质量混合比例为1：0.25~1：0.5；

（4）导电炭黑 20~40%；

（5）石墨 10~30%；

（6）乙烯-辛烯共聚物 8~12%

其中，辛烯的含量占共聚物质量的20%~25%；

（7）烷基芳基磺酸钠 2~5%；

（8）聚氧乙烯脂肪醇醚 2~5%；

（9）硬脂酸 1~3%。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1.上述方案中，所述“熔融指数”全称熔液流动指数或熔体流动指数，是一种表示塑胶材料加工时的流动性的数值。其值越大，表示该塑胶材料的加工流动性越佳，反之则越差。有时会看到这样的表示法：MI25g/10min，它表示在10分钟内该塑料被挤出25克。一般常用塑料的MI值大约介于1~25之间。MI愈大，代表该塑料原料粘度愈小及分子重量愈小，反之则代表该塑料粘度愈大及分子重量愈大。

2.上述方案中，所述“乙烯-辛烯共聚物”属于聚烯烃弹性体（POE）中的一种。

3.上述方案中，所述“硬脂酸”，英文名称：stearic acid，化学名：十八烷酸。含18个碳原子的饱和脂肪酸。

为达到上述目的，本发明钒电池电极材料制备方法采用的技术方案是：一种钒电池非金属电极材料的制备方法，其创新在于：采用上述原料配方，并按下列步骤依次进行制备：

第一步，预处理

将导电炭黑和石墨分别在80℃~100℃温度环境下烘干后备用；

第二步，混合

先将高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、乙烯-辛烯共聚物以及硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物按原料配方的比例关系称量后同时投入搅拌机中进行第一次搅拌混合，使第一次混合物料均匀分散，同时在第一次搅拌过程中对第一次混合物料进行加温，当第一次混合物料升温至59℃~61℃时停止加温和搅拌；再将导电炭黑、石墨、烷基芳基磺酸钠、聚氧乙烯脂肪醇醚以及硬脂酸按原料配方的比例关系称量后同时投入盛有第一次混合物料的搅拌机中进行第二次搅拌混合，使第二次混合物料均匀分散，同时在第二次搅拌过程中对第二次混合物料进行加温，当第二次混合物料升温至69℃~71℃时，停止加温并且继续搅拌，直到第二次混合物料充分混合均匀时停止搅拌；

第三步，混炼造粒

将第二步混合后的物料投入双螺杆挤出机或单螺杆挤出机进行混炼塑化，在混炼塑化过程中温度控制在180℃~230℃范围，当物料充分混炼塑化后挤出造粒得到颗粒物料。

本发明设计构思是：在原料配方设计中，以导电炭黑和石墨作为导电体，以高密度聚乙烯和低密度聚乙烯作为载体，以硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物作为稳定剂，以乙烯-辛烯共聚物作为增韧剂，以烷基芳基磺酸钠和聚氧乙烯脂肪醇醚作为分散剂，以硬脂酸作为内外润滑剂，通过合理的比例搭配，经过均匀混合和混炼得到一种适合于钒电池用的电极材料。这种材料与现有石墨毡或碳毡相比具有下列优点和效果：

1 .本发明材料结构相对紧密，使用中材料不会发生脱落，不易污染电解液。

2.本发明材料由于以高密度聚乙烯和低密度聚乙烯作为载体加工成型性能好，给钒电池电极制作带来便利。

3.本发明材料在使用中不易被击穿，使用寿命长。

4.本发明材料的导电率可以通过导电体与其它材料的比例进行调整，可以满足不同用户的不同需要。

5.本发明原材料容易获得，价格便宜，而且制备工艺操作简单，适合于大批量推广应用。

6.本发明配方中无金属材料掺杂，制作过程无毒、无污染，既符合钒电池电极材料的要求，也符合绿色环保要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：一种钒电池非金属电极材料的原料配方及其制备方法

原料配方由下列质量百分含量的物质组成：

（1）高密度聚乙烯 10%

其中，高密度聚乙烯的熔融指数为 2~4；

（2）低密度聚乙烯 35%

其中，低密度聚乙烯的熔融指数为 4~8；

（3）硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物 2%

其中，硬脂酸钙与硬脂酸锌的质量混合比例为1：0.25~1：0.5；

（4）导电炭黑 20%；

（5）石墨 15%；

（6）乙烯-辛烯共聚物 8%

其中，辛烯的含量占共聚物质量的20%~25%；

（7）烷基芳基磺酸钠 5%；

（8）聚氧乙烯脂肪醇醚 2%；

（9）硬脂酸 3%。

在上述原料配方的基础上按下列步骤依次进行制备：

第一步，预处理

将导电炭黑和石墨分别在80℃~100℃温度环境下烘干后备用。

第二步，混合

先将高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、乙烯-辛烯共聚物以及硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物按原料配方的比例关系称量后同时投入搅拌机中进行第一次搅拌混合，使第一次混合物料均匀分散，同时在第一次搅拌过程中对第一次混合物料进行加温，当第一次混合物料升温至59℃~61℃时停止加温和搅拌；再将导电炭黑、石墨、烷基芳基磺酸钠、聚氧乙烯脂肪醇醚以及硬脂酸按原料配方的比例关系称量后同时投入盛有第一次混合物料的搅拌机中进行第二次搅拌混合，使第二次混合物料均匀分散，同时在第二次搅拌过程中对第二次混合物料进行加温，当第二次混合物料升温至69℃~71℃时，停止加温并且继续搅拌，直到第二次混合物料充分混合均匀时停止搅拌。

在第二次搅拌过程中，当停止加温并且继续搅拌后，由于摩擦第二次混合物料在69℃~71℃基础上继续升温，此时通过降低搅拌速度来控制第二次混合物料的继续升温，使继续升温后的第二次混合物料控制在71℃~90℃范围。

在第二次混合物料充分混合均匀并停止搅拌后，将第二次混合物料静置5~30分钟使物料后熟，然后出料。

第三步，混炼造粒

在上述得到钒电池非金属电极材料（颗粒物料）的基础上，如果有条件还可以对该材料进行深加工，直接制作钒电池用非金属片状电极，其制备工艺如下（紧接以上制备方法步骤）：

第四步，成型

将第三步混炼造粒后的颗粒物料通过三辊制片机制成片材或板材，片材或板材的厚度为0.7~5毫米。

第五步，冷却整形

采用风冷或自然冷却方式将第四步成型后的片材或板材降温至20℃~40℃，同时在降温过程中利用滚压方式对片材或板材的平整度进行整形。

第六步，去废边

对第五步冷却整形后的片材或板材进行切边；

第七步，裁切

根据实际需要对第六步去废边后的片材或板材进行裁切，得到满足形状和尺寸要求的钒电池非金属电极。

第八步，检验

对第七步裁切后的钒电池非金属电极的尺寸以及外观进行检验，得到成品。

以上第四步到第八步是针对钒电池用非金属片状电极的制作工艺，如果钒电池非金属电极采用其它形状，其制作工艺与以上第四步到第八步相似，这是本领域技术人员在上述启发下容易想到的。

实施例2：一种钒电池非金属电极材料的原料配方及其制备方法

原料配方由下列质量百分含量的物质组成：

（1）高密度聚乙烯 25%

其中，高密度聚乙烯的熔融指数为 2~4；

（2）低密度聚乙烯 20%

其中，低密度聚乙烯的熔融指数为 4~8；

（3）硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物 3%

其中，硬脂酸钙与硬脂酸锌的质量混合比例为1：0.25~1：0.5；

（4）导电炭黑 22%；

（5）石墨 12%；

（6）乙烯-辛烯共聚物 10%

其中，辛烯的含量占共聚物质量的20%~25%；

（7）烷基芳基磺酸钠 3%；

（8）聚氧乙烯脂肪醇醚 3%；

（9）硬脂酸 2%。

在上述原料配方的基础上制备方法与实施例1相同，这里不再重复描述。

实施例3：一种钒电池非金属电极材料的原料配方及其制备方法

原料配方由下列质量百分含量的物质组成：

（1）高密度聚乙烯 12%

其中，高密度聚乙烯的熔融指数为 2~4；

（2）低密度聚乙烯 25%

其中，低密度聚乙烯的熔融指数为 4~8；

（3）硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物 1%

其中，硬脂酸钙与硬脂酸锌的质量混合比例为1：0.25~1：0.5；

（4）导电炭黑 32%；

（5）石墨 10%；

（6）乙烯-辛烯共聚物 12%

其中，辛烯的含量占共聚物质量的20%~25%；

（7）烷基芳基磺酸钠 2%；

（8）聚氧乙烯脂肪醇醚 5%；

（9）硬脂酸 1%。

实施例1~3只是通过举例的方式对本发明加以描述，本领域技术人员在以上实施例的启发下可以对上述配方中各组份的含量作调整，只要在本发明含量范围内均可以实现。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种钒电池非金属电极材料，其特征在于：所述非金属电极材料的原料配方由下列质量百分含量的物质组成：

（1）高密度聚乙烯 10~30%

其中，高密度聚乙烯的熔融指数为 2~4；

（2）低密度聚乙烯 20~40%

其中，低密度聚乙烯的熔融指数为 4~8；

（3）硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物 1~3%

其中，硬脂酸钙与硬脂酸锌的质量混合比例为1：0.25~1：0.5；

（4）导电炭黑 20~40%；

（5）石墨 10~30%；

（6）乙烯-辛烯共聚物 8~12%

其中，辛烯的含量占共聚物质量的20%~25%；

（7）烷基芳基磺酸钠 2~5%；

（8）聚氧乙烯脂肪醇醚 2~5%；

（9）硬脂酸 1~3%。

2.一种钒电池非金属电极材料的制备方法，其特征在于：所述非金属电极材料的原料配方由下列质量百分含量的物质组成：

（1）高密度聚乙烯 10~30%

其中，高密度聚乙烯的熔融指数为 2~4；

（2）低密度聚乙烯 20~40%

其中，低密度聚乙烯的熔融指数为 4~8；

（3）硬脂酸钙和硬脂酸锌的混合物 1~3%

其中，硬脂酸钙与硬脂酸锌的质量混合比例为1：0.25~1：0.5；

（4）导电炭黑 20~40%；

（5）石墨 10~30%；

（6）乙烯-辛烯共聚物 8~12%

其中，辛烯的含量占共聚物质量的20%~25%；

（7）烷基芳基磺酸钠 2~5%；

（8）聚氧乙烯脂肪醇醚 2~5%；

（9）硬脂酸 1~3%；

在所述原料配方的基础上按下列步骤依次进行制备：

第一步，预处理

将导电炭黑和石墨分别在80℃~100℃温度环境下烘干后备用；

第二步，混合

第三步，混炼造粒

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在第二次搅拌过程中，当停止加温并且继续搅拌后，由于摩擦第二次混合物料在69℃~71℃基础上继续升温，此时通过降低搅拌速度来控制第二次混合物料的继续升温，使继续升温后的第二次混合物料控制在71℃~90℃范围。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在第二次混合物料充分混合均匀并停止搅拌后，将第二次混合物料静置5~30分钟，然后出料。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：

第四步，成型

将第三步混炼造粒后的颗粒物料通过三辊制片机制成片材或板材，片材或板材的厚度为0.7~5毫米；

第五步，冷却整形

采用风冷或自然冷却方式将第四步成型后的片材或板材降温至20℃~40℃，同时在降温过程中利用滚压方式对片材或板材的平整度进行整形；

第六步，去废边

对第五步冷却整形后的片材或板材进行切边；

第七步，裁切

根据实际需要对第六步去废边后的片材或板材进行裁切，得到满足形状和尺寸要求的钒电池非金属电极；

第八步，检验