CN102637881A - 一种钒电池用导电塑料双极板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钒电池制造领域，具体为一种钒电池用导电塑料双极板的制备方法，解决现有技术中物料混炼均匀程度难以保证等问题。将导电塑料原料在高混机中混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出成型，并在塑料板表面喷涂导电剂即制得导电塑料双极板。本发明根据钒电池工作要求，选取耐高温、耐腐蚀性好的高分子树脂和导电剂，用双螺杆挤出机挤出并采取表面喷碳技术制备高导电率、高强度、耐腐蚀的导电塑料双极板；其电阻率可以达到0.1-0.3Ω.cm，达到钒电池的使用要求。本发明的双极板导电率高并且比表面积大、与电极之间接触好，可降低钒电池电阻，提高钒电池性能，从而可降低钒电池成本，并保证在电池中稳定运行。

Description

一种钒电池用导电塑料双极板的制备方法
技术领域
本发明涉及钒电池制造领域，具体为一种钒电池用导电塑料双极板的制备方法。
背景技术
钒电池，全称为全钒离子氧化还原液流电池，是一种新型绿色环保电池。双极板是全钒液流电池的关键部件之一，起着连接不同单电池的正负极并导通电池内电路的作用，要求其具备良好的导电性、机械强度、耐化学氧化和电化学腐蚀性能。可选择的材料主要包括金属双极板、纯石墨双极板及聚合物-碳素材料复合双极板。由于金属材料双极板价格和耐腐蚀性方面有问题，很少被研究和使用。纯石墨双极板加工和安装时容易断裂，在大规模工业应用时受到限制。聚合物-碳素材料复合双极板同时具有高分子树脂良好的加工性能和机械强度，以及碳素材料优异的导电性能，近年来在研究领域中受到广泛关注。中石博之等采用氯化聚乙烯为基体，加入石墨、炭黑等导电填料后通过注塑成型，制成厚度0.1mm的双极板；刘宗浩等使用挤出压延成型，制备面积较大、厚度较薄的双极板；陈茂斌等与刘建国等避开了高分子熔融物难于混合的弊端，分别采用乳液和悬浮液的方式混和树脂和导电填料，取得了良好的效果，但其电导率偏低。
虽然双极板研究已取得一定成果，但仍然存在需要解决的问题。采用乳液和悬浮液混合方式制备的双极板电阻率高于0.5Ω.cm，难于满足电池过程对导电性能要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种钒电池用导电塑料双极板的制备方法，解决现有技术中物料混炼均匀程度难以保证，以及聚合物-碳素材料复合双极板电阻率过高以及接触电阻过大等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种钒电池用导电塑料双极板的制备方法，将基体树脂和导电剂以及助剂等原料在高混机中混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出成型，并在塑料板表面喷涂导电剂即制得导电塑料双极板；其电阻率可以达到0.1-0.3Ω.cm，并且比表面积大、与电极之间接触好，可降低钒电池电阻，提高钒电池性能。
本发明钒电池用双极板采用原料各组分的重量百分数为：
导电剂        20～70；
树脂粉末      20～70；
助剂          10～30；
以上个组分质量之和满足100。
本发明喷涂导电剂用原料各组分的质量百分数为：
导电剂        10～30；
树脂粉末      10～30；
溶剂          40～80；
以上个组分质量之和满足100。
本发明中，助剂为制备导电塑料的常用物质，包括稀释剂和增塑剂，稀释剂和增塑剂的质量比为1∶(1～3)；其中，稀释剂为异丙醇、液体石蜡、溶剂油中的一种或者两种以上，若采用两种或三种的混合物，则比例为任意比。增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯。
本发明中，树脂粉末可以采用高分子树脂：聚乙烯树脂(PE)、聚丙烯树脂(PP)、聚氯乙烯树脂(PVC)、丙烯酸树脂(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)中的一种或两种以上。
本发明中，高分子树脂PE、PP、PVC、PA、ABS的粉末粒度为10μm-600μm(优选为20μm-100μm)。
本发明中，喷涂导电剂(喷碳工艺)可以与挤出机挤出塑料板同步进行，也可以成型后再在塑料板表面喷涂导电剂。
本发明中，喷涂导电剂使用溶剂可采用异丙醇、无水乙醇、丙酮中的一种或者两种以上，若采用两种或三种的混合物，则比例为任意比。
本发明中，导电剂为导电碳黑；或者，导电剂以导电碳黑为主剂，石墨粉或碳纤维粉为辅剂。当选择石墨粉与导电碳黑时，二者最佳质量比为(1∶10)-(1∶1)。当选择碳纤维粉与导电碳黑时，二者最佳质量比为(1∶10)-(1∶1)。
本发明中，喷涂导电剂选择导电剂为导电碳黑时，导电碳黑与树脂的质量比为(10∶1)-(2∶1)。
本发明中，喷涂导电剂选择导电剂为导电碳黑时，导电碳黑与树脂总质量和溶剂的质量比为(1∶2)-(1∶10)。
本发明中，当导电剂为导电碳黑，需加入增塑剂。增塑剂选用邻苯二甲酸二辛酯，增塑剂、导电碳黑二者的最佳质量比为(1∶10)-(1∶5)。
本发明中，导电碳黑粒度为10μm-500μm(优选为20μm-100μm)，石墨粉粒度为100μm-800μm(优选为150μm-300μm)，碳纤维粉粒度为10μm-200μm(优选为20μm-100μm)。
本发明的制备方法如下：
1、按上述比例将导电剂、高分子树脂粉末加入到高混机中，然后加入助剂。用高混机充分搅拌，控制搅拌速度，先慢后快。
2、搅拌完成后，将混合物加入双螺杆挤出机中挤出成型。
3、在挤出工艺过程中或者成型后在塑料板表面喷涂导电剂即制得导电塑料双极板。
本发明中，挤出成型的温度范围为190～260℃。挤出成型可以分段进行，各段温度为190～200℃，200～215℃，215～225℃，225～235℃，235～250℃。
本发明中，螺杆转速为200-300r.min-1，最佳范围220-270r.min-1。
本发明的优点：
1、针对以往研究中存在的问题，本发明采用了具有良好化学稳定性和加工稳定性的高分子树脂作为双极板的基体材料，选择合适的碳素材料作为导电剂，采用表面喷涂技术提高电阻率，降低了双极板与电极之间的接触电阻；同时，针对以往高分子加工混合过程的问题，对高分子树脂和导电材料进行了预处理，解决了导电剂分散不均的问题。
2、本发明的导电塑料双极板制备工艺将基体树脂和导电剂以及助剂等原料在高混机中混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出成型，并在塑料板表面喷涂导电剂即制得导电塑料双极板，其电阻率可以达到0.1-0.3Ω.cm。
3、本发明的导电塑料双极板制备工艺，导电塑料比表面积大、与电极之间接触好，可降低钒电池电阻，提高钒电池性能。
4、本发明的导电塑料双极板制备工艺，可以制备大面积双极板，加工简单。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明制备工艺流程是：导电剂、高分子树脂粉末、助剂在高混机中均匀混合后，经双螺杆挤出、表面喷涂导电剂、牵引机牵引、卷曲成型制备导电塑料双极板。具体步骤如下：
(1)按上述比例将导电剂、高分子树脂粉末加入到高混机(即：高速混合机)中，然后加入助剂。用高混机充分搅拌，控制搅拌速度，先慢后快。
本发明中，高混机的搅拌速度800-2000转/分。
(2)搅拌完成后，将混合物加入双螺杆挤出机中挤出成型。
(3)在挤出工艺过程中或者成型后在塑料板表面喷涂导电剂即制得导电塑料双极板。
实施例1
钒电池用高导电率双极板挤出工艺采用原料质量比如下：
PE         45(粒度范围50～80μm)
导电碳黑   45(粒度范围20～50μm)
助剂       10
本实施例中，助剂为异丙醇和邻苯二甲酸二辛酯，异丙醇和邻苯二甲酸二辛酯的质量比为1∶1。
喷涂导电剂用原料质量比例为：
导电碳黑   30(粒度范围20～50μm)
PE         20(粒度范围50～80μm)
无水乙醇   50
首先，将上述挤出工艺原料总质量为100kg，置于高混机中，搅拌速度900转/分，搅拌20min。然后加入双螺杆中，190℃～210℃挤出成型，螺杆转速为220r.min-1，再将质量为100kg喷涂原料置于喷涂装置中，与挤出机同步喷涂在挤出料表面。
制备的导电双极板的体积电阻率为：0.3Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，电池充放电性能参数为：库仑效率91％，电压效率80％，能量效率73％。
实施例2
钒电池用高导电率双极板挤出工艺采用原料质量比如下：
PP       50(粒度范围50～80μm)
导电碳黑 40(粒度范围20～50μm)
助剂     10
本实施例中，助剂为液体石蜡和邻苯二甲酸二辛酯，液体石蜡和邻苯二甲酸二辛酯的质量比为1∶2。
喷涂导电剂用原料质量比例为：
导电碳黑  25(粒度范围20～50μm)
PP        20(粒度范围50～80μm)
无水乙醇  55
首先，将上述挤出工艺原料总质量为100kg，置于高混机中，搅拌速度800转/分，搅拌20min。然后加入双螺杆中，190℃～210℃挤出成型，螺杆转速为220r.min-1，再将质量为100kg的喷涂原料置于喷涂装置中，与挤出机同步喷涂在挤出料表面。
制备的导电双极板的体积电阻率为：0.2Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，电池充放电性能参数为：库仑效率91％，电压效率81％，能量效率74％。
实施例3
钒电池用高导电率双极板挤出工艺采用原料质量比如下：
Figure BDA0000152044470000051
本实施例中，助剂为溶剂油和邻苯二甲酸二辛酯，溶剂油和邻苯二甲酸二辛酯的质量比为1∶3。
喷涂导电剂用原料质量比例为：
导电碳黑  30(粒度范围20～50μm)
PE        20(粒度范围50～80μm)
无水乙醇  50
首先，将上述挤出工艺原料总质量为100kg，置于高混机中，搅拌速度900转/分，搅拌20min。然后加入双螺杆中，190℃～210℃挤出成型，螺杆转速为220r.min-1，再将质量为100kg喷涂原料置于喷涂装置中，与挤出机同步喷涂在挤出料表面。
制备的导电双极板的体积电阻率为：0.3Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，电池充放电性能参数为：库仑效率91％，电压效率83％，能量效率76％。
实施例4
钒电池用高导电率双极板挤出工艺采用原料质量比如下：
PVC        35(粒度范围50～80μm)
导电碳黑   55(粒度范围20～50μm)
助剂       10
本实施例中，助剂为异丙醇和邻苯二甲酸二辛酯，异丙醇和邻苯二甲酸二辛酯的质量比为1∶1。
喷涂导电剂用原料质量比例为：
导电碳黑 30(粒度范围20～50μm)
PVC      15(粒度范围50～80μm)
异丙醇   55
首先，将上述挤出工艺原料总质量为100kg，置于高混机中，搅拌速度1000转/分，搅拌20min。然后加入双螺杆中，190℃～210℃挤出成型，螺杆转速为220r.min-1，再将质量为100kg喷涂原料置于喷涂装置中，与挤出机同步喷涂在挤出料表面。
制备的导电双极板的体积电阻率为：0.1Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，电池充放电性能参数为：库仑效率92％，电压效率83％，能量效率76％。
实施例5
钒电池用高导电率双极板挤出工艺采用原料质量比如下：
Figure BDA0000152044470000061
本实施例中，助剂为液体石蜡和邻苯二甲酸二辛酯，液体石蜡和邻苯二甲酸二辛酯的质量比为1∶2。
本实施例双极板原料中，导电剂以导电碳黑为主剂，碳纤维粉与导电碳黑二者质量比为1∶8，导电碳黑粒度范围20～50μm，碳纤维粉粒度范围20μm-50μm。
喷涂导电剂用原料质量比例为：
导电碳黑  20(粒度范围20～50μm)
PE        20(粒度范围50～80μm)
丙酮      60
首先，将上述挤出工艺原料总质量为100kg，置于高混机中，搅拌速度900转/分，搅拌20min。然后加入双螺杆中，挤出成型，螺杆转速为220r.min-1，再将质量为100kg喷涂原料置于喷涂装置中，与挤出机同步喷涂在挤出料表面。
本实施例中，挤出成型的温度范围为200～235℃。挤出成型分段进行，各段温度依次为200～215℃，215～225℃，225～235℃。
制备的导电双极板的体积电阻率为：0.3Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，电池充放电性能参数为：库仑效率92％，电压效率80％，能量效率73％。
实施例6
钒电池用高导电率双极板挤出工艺采用原料质量比如下：
PE     35(粒度范围50～80μm)
导电剂 55
助剂   10
本实施例中，助剂为异丙醇和邻苯二甲酸二辛酯，异丙醇和邻苯二甲酸二辛酯的质量比为1∶3。
本实施例双极板原料中，导电剂以导电碳黑为主剂，石墨粉与导电碳黑二者质量比为1∶5，导电碳黑粒度为40μm，石墨粉粒度为100μm。
喷涂导电剂用原料质量比例为：
导电碳黑  20(粒度范围20～50μm)
PE        10(粒度范围50～80μm)
无水乙醇  70
首先，将上述挤出工艺原料总质量为100kg，置于高混机中，搅拌速度800转/分，搅拌20min。然后加入双螺杆中，挤出成型，螺杆转速为220r.min-1，再将质量为100kg喷涂原料置于喷涂装置中，与挤出机同步喷涂在挤出料表面。
本实施例中，挤出成型的温度范围为190～250℃。挤出成型分段进行，各段温度依次为190～200℃，200～215℃，215～225℃，225～235℃，235～250℃。
制备的导电双极板的体积电阻率为：0.2Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，电池充放电性能参数为：库仑效率90％，电压效率82％，能量效率74％。
结果表明，本发明可制备导电塑料双极板电阻率可以达到0.1-0.3Ω.cm，并且比表面积大、与电极之间接触好，可降低钒电池电阻，提高了钒电池性能，满足使用需要。

Claims (10)

1.一种钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：将导电塑料原料和助剂在高混机中混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出成型，并在塑料板表面喷涂导电剂即制得导电塑料双极板；
采用导电塑料原料各组分的重量百分数为：
导电剂   20～70；
树脂粉末 20～70；
助剂     10～30；
以上各组分质量之和满足100；
喷涂导电剂用原料各组分的质量百分数为：
导电剂   10～30；
树脂粉末 10～30；
溶剂     40～80；
以上各组分质量之和满足100。
2.按照权利要求1所述的钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：助剂为稀释剂和增塑剂，稀释剂和增塑剂的质量比为1∶(1～3)；其中，稀释剂为异丙醇、液体石蜡、溶剂油中的一种或者两种以上，若采用两种或三种的混合物，则比例为任意比，增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯。
3.按照权利要求1所述的钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：树脂粉末采用PE、PP、PVC、PA、ABS中的一种或两种以上，PE、PP、PVC、PA、ABS的粉末粒度为10μm-600μm。
4.按照权利要求1所述的钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：喷涂导电剂使用溶剂为异丙醇、无水乙醇、丙酮中的一种或者两种以上，若采用两种或三种的混合物，则比例为任意比。
5.按照权利要求1所述的钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：喷涂导电剂与挤出机挤出塑料板同步进行；或者，成型后再在塑料板表面喷涂导电剂。
6.按照权利要求1所述的钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：采用的导电剂为导电碳黑；或者，导电剂以导电碳黑为主剂，石墨粉或碳纤维粉为辅剂；导电碳黑粒度为10μm-500μm，石墨粉粒度为100μm-800μm，碳纤维粉粒度为10μm-200μm。
7.按照权利要求6所述的钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：喷涂导电剂选择导电剂为导电碳黑时，导电碳黑与树脂比例为(10∶1)-(2∶1)。
8.按照权利要求6所述的钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：喷涂导电剂选择导电剂为导电碳黑时，导电碳黑与树脂总质量和溶剂的比例为(1∶2)-(1∶10)。
9.按照权利要求6所述的钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：当导电剂为导电碳黑时，加入增塑剂，增塑剂选用邻苯二甲酸二辛酯，增塑剂、导电碳黑二者的质量比为(1∶10)-(1∶5)。
10.按照权利要求6所述的钒电池用导电塑料双极板的制备方法，其特征在于：当选择石墨粉与导电碳黑时，二者质量比为(1∶10)-(1∶1)；当选择碳纤维粉与导电碳黑时，二者质量比为(1∶10)-(1∶1)。
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