CN102891324A - 一种钒电池用双极板及其制备方法 - Google Patents

一种钒电池用双极板及其制备方法 Download PDF

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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新型双极板及其制备方法，解决了现有技术中电池内阻大、能量效率低等问题。本发明双极板由三部分组成，分别为电极-骨架层-电极，电极与骨架层通过导电剂粘接在一起构成一体化钒电池用双极板。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以及电极作为中间骨架层，制备高导电率、高强度、耐腐蚀的双极板；其电阻率可以达到0.03～0.1Ω.cm，提升了钒电池的功率。本发明的双极板导电率高、与电极之间接触好，可降低钒电池电阻，提高钒电池功率，从而降低钒电池成本，并保证钒电池的可靠性。

Description

一种钒电池用双极板及其制备方法
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新型双极板及其制备方法。
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、高机械强度、耐化学氧化和电化学腐蚀性能。目前，钒电池能用的双极板有石墨板：成本高，加工难，尺寸小；金属基：不耐腐蚀，成本高；导电塑料：成本低，导电性差，机械强度低。钒电池要满足商业化、规模化要求，需要进一步降低电池成本、进一步提高电池可靠性，而核心问题就是降低电池内阻，而双极板和电极材料电阻以及之间的接触电阻占电池内阻40%以上，所以钒电池能否商业化关键在于，降低双极板和电极材料电阻以及之间的接触电阻。
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新型双极板及其制备方法，解决现有技术中聚合物-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：
一种钒电池用双极板，包括电极、导电剂、骨架层，骨架层的两侧分别为电极，电极与骨架层之间通过导电剂粘接在一起，构成一体化钒电池用双极板。
本发明中，骨架层为高分子树脂粉末和电极组成，高分子树脂粉末填充于电极中，高分子树脂粉末占电极体积的20～60%。
本发明中，导电剂为高分子树脂粉末和导电填料组成，高分子树脂粉末和导电填料的质量比为（1：1）～（1：10）。
所述钒电池用双极板的制备方法，高分子树脂粉末和电极放入溶剂中浸泡，将浸泡后的电极在烘箱中将溶剂挥发后作为骨架层，在骨架层表面均匀涂导电剂，电极与骨架层通过导电剂粘接在一起制得双极板；其电阻率可以达到0.03～0.1Ω.cm，与电极之间接触好，可降低钒电池电阻，提高钒电池性能。
本发明中，电极采用碳毡和/或石墨毡，碳毡或石墨毡的体积密度为0.05～0.20g/cm3。
本发明中，高分子树脂粉末可以采用聚乙烯树脂（PE）、聚丙烯树脂（PP）、聚氯乙烯树脂（PVC）、丙烯酸树脂粉末（PA，尼龙）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）中的一种或一种以上。高分子树脂PE、PP、PVC、PA、ABS的粉末粒度为10μm～600μm，优选的粒度为10μm～100μm。
本发明中，溶剂为水、无水乙醇、异丙醇或煤油之一。
本发明中，高分子树脂粉末与溶剂的质量比例为（1：1）～（1：10），优选的质量比例为（1：2）～（1：5）。
所述钒电池用双极板的制备方法，具体步骤如下：
1）将电极和高分子树脂粉末放入溶剂中浸泡，浸泡方法包括：超声波震荡、搅拌器搅拌或喷枪喷淋，高分子树脂粉末填充于电极中，烘干后制成骨架层。
2）将高分子树脂粉末和导电填料按质量比（1：1）～（1：10）通过高混机混合均匀，制成导电剂；
其中，导电填料为导电碳黑；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。当选择石墨粉与导电碳黑时，二者质量比为（1：1）～（1：10），优选的质量比为（1：2）～（1：5）；当选择碳纤维粉与导电碳黑时，二者质量比为（1：1）～（1：10），优选的质量比为（1：2）～（1：5）。
3）将导电剂涂在骨架层表面，骨架层与电极热压后制成双极板；
热压温度为100～300℃，热压时间为5～200min，热压压力为0.1～25MPa。
本发明的优点：
1、本发明钒电池用新型双极板的制备方法是以石墨毡中注入树脂作为骨架，再同电极粘接复合成一体，消除了之间的接触电阻，并且保证了电池的可靠性，解决了钒电池中双极板电阻过大，电池功率低的问题，
2、本发明的新型双极板其电阻率可以达到0.03～0.1Ω.cm，保证了钒电池材料一致性要求，新型双极板由三部分组成，分别为电极-骨架层-电极，电极与骨架层通过导电剂粘接在一起构成一体化电极。其中电极为具有电化学活性的碳毡或者石墨毡；高分子树脂粉末和电极放入溶剂中浸泡，将浸泡后的电极在烘箱中将溶剂挥发后作为骨架层；导电剂为导电性好、耐腐蚀、粘性好的有机材料。本发明的双极板导电率高、与电极之间接触好，可降低钒电池电阻，提高钒电池功率，从而降低钒电池成本，并保证钒电池的可靠性。
附图说明
图1为钒电池用双极板的结构示意图。其中，1电极，2导电剂，3骨架层。
具体实施方式
如图1所示，本发明钒电池用双极板包括电极1、导电剂2、骨架层3，骨架层3的两侧分别为电极1，电极1与骨架层3之间通过导电剂2粘接在一起，构成一体化钒电池用双极板。
本发明采用钒电池作为具体实施方式的实施例，下面通过实施例详述本发明。
实施例1
取石墨毡电极（规格：560mm×宽320mm×厚5mm，体积密度为0.10g/cm3）和聚乙烯树脂粉末（PE）20g，去离子水50mL，在超声池中超声处理5h，取出后在烘箱中90℃待水蒸发掉后，取出作为骨架层，聚乙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚乙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的50%。再取10g导电碳黑，5g碳纤维粉，聚乙烯树脂粉末15g置于高混机中，搅拌速度800转/分，搅拌20min，制成导电剂。然后将导电剂放在骨架层，上下表面再放上石墨毡进行热压，热压温度为180℃，热压时间为20min，压力为1MPa，得到钒电池用一种新型双极板。
本实施例中，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91%，电压效率80%，能量效率73%。
实施例2
取石墨毡电极（规格：长560mm×宽320mm×厚6mm，体积密度为0.15g/cm3）和聚丙烯树脂粉末（PP）20g，去离子水40mL，在超声池中超声处理30min，取出后在烘箱中90℃待水蒸发掉后，取出作为骨架层，聚丙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚丙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的60%。再取15g导电碳黑，5g碳纤维粉，聚丙烯粉末25g置于高混机中，搅拌速度600转/分，搅拌20min，制成导电剂。然后将导电剂放在骨架层，上下表面再放上石墨毡进行热压，热压温度为190℃，热压时间为30min，压力为0.3MPa，得到钒电池用一种新型双极板。
本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为：0.06Ω.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
取石墨毡电极（规格：560mm×宽320mm×厚5mm，体积密度为0.05g/cm3）和丙烯酸树脂粉末（PA）20g，去离子水50mL，在超声池中超声处理5h，取出后在烘箱中90℃待水蒸发掉后，取出作为骨架层，丙烯酸树脂粉末填充于石墨毡电极中，丙烯酸树脂粉末占石墨毡电极体积的30%。再取15g导电碳黑，丙烯酸树脂粉末15g置于高混机中，搅拌速度800转/分，搅拌20min，制成导电剂。然后将导电剂放在骨架层，上下表面再放上石墨毡进行热压，热压温度为180℃，热压时间为20min，压力为1MPa，得到钒电池用一种新型双极板。
本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为：0.03Ω.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86%，能量效率78%。
实施例4
取石墨毡电极（规格：500mm×宽320mm×厚5mm，体积密度为0.12g/cm3）和聚乙烯树脂粉末（PE）20g，去离子水60mL，在超声池中超声处理1h，取出后在烘箱中90℃待水蒸发掉后，取出作为骨架层，聚乙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚乙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的50%。再取10g导电碳黑，5g石墨粉，聚乙烯树脂粉末15g置于高混机中，搅拌速度500转/分，搅拌30min，制成导电剂。然后将导电剂放在骨架层，上下表面再放上石墨毡进行热压，热压温度为180℃，热压时间为30min，压力为0.5MPa，得到钒电池用一种新型双极板。
本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为：0.06Ω.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
取石墨毡电极（规格：长500mm×宽320mm×厚4mm，体积密度为0.13g/cm3）和聚丙烯树脂粉末（PP）10g，去离子水30mL，在超声池中超声处理2h，取出后在烘箱中90℃待水蒸发掉后，取出作为骨架层，聚丙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚丙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的45%。再取10g导电碳黑，聚丙烯树脂粉末15g置于高混机中，搅拌速度700转/分，搅拌20min，制成导电剂。然后将导电剂放在骨架层，上下表面再放上石墨毡进行热压，热压温度为170℃，热压时间为40min，压力为0.5MPa，得到钒电池用一种新型双极板。
本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为：0.07Ω.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
取石墨毡电极（规格：长500mm×宽320mm×厚5mm，体积密度为0.08g/cm3）和聚氯乙烯树脂粉末（PVC）20g，去离子水50mL，在超声池中超声处理1h，取出后在烘箱中90℃待水蒸发掉后，取出作为骨架层，聚氯乙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚氯乙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的35%。再取15g导电碳黑，3g碳纤维粉，聚氯乙烯树脂粉末20g置于高混机中，搅拌速度500转/分，搅拌30min，制成导电剂。然后将导电剂放在骨架层，上下表面再放上石墨毡进行热压，热压温度为150℃，热压时间为30min，压力为0.5MPa，得到钒电池用一种新型双极板。
本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为：0.05Ω.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85%，能量效率78%。
结果表明，本发明根据钒电池工作要求，以石墨毡为骨架材料，选取耐高温、耐腐蚀性好的高分子树脂和导电剂以及电极，将电极与骨架材料粘接在一起，制备高导电率、高强度、耐腐蚀的一体化结构钒电池用双极板；其接触电阻小，电阻率可以达到0.03～0.1Ω.cm，不易剥离，提升了钒电池的功率，提高了电池可靠性，降低了电池成本。

Claims (10)

1.一种钒电池用双极板，其特征在于：包括电极、导电剂、骨架层，骨架层的两侧分别为电极，电极与骨架层之间通过导电剂粘接在一起，构成一体化钒电池用双极板；
其中，骨架层为高分子树脂粉末和电极组成，高分子树脂粉末填充于电极中，高分子树脂粉末占电极体积的20～60%。
2.按照权利要求1所述的钒电池用双极板，其特征在于：钒电池用双极板的电阻率为0.03～0.1Ω.cm。
3.按照权利要求1所述的钒电池用双极板，其特征在于：电极采用碳毡和/或石墨毡，碳毡或石墨毡的体积密度为0.05～0.20g/cm3。
4.按照权利要求1所述的钒电池用双极板，其特征在于：导电剂为高分子树脂粉末和导电填料组成，高分子树脂粉末和导电填料的质量比为（1：1）～（1：10）。
5.按照权利要求1所述的钒电池用双极板，其特征在于：高分子树脂粉末采用聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、丙烯酸树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种或一种以上，其粒度为10μm～600μm。
6.一种权利要求1所述的钒电池用双极板的制备方法，其特征在于：将高分子树脂粉末和电极放入溶剂中浸泡，将浸泡后的电极在烘箱中将溶剂挥发后作为骨架层，在骨架层表面均匀涂导电剂，电极与骨架层通过导电剂粘接在一起制得双极板。
7.按照权利要求6所述的钒电池用双极板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）将电极和高分子树脂粉末放入溶剂中浸泡，浸泡方法包括：超声波震荡、搅拌器搅拌或喷枪喷淋，高分子树脂粉末填充于电极中，烘干后制成骨架层；
2）将高分子树脂粉末和导电填料通过高混机混合均匀，制成导电剂；
3）将导电剂涂在骨架层表面，骨架层与电极热压后制成双极板；
热压温度为100～300℃，热压时间为5～200min，热压压力为0.1～25MPa。
8.按照权利要求6或7所述的钒电池用双极板的制备方法，其特征在于：溶剂为水、无水乙醇、异丙醇或煤油之一。
9.按照权利要求6或7所述的钒电池用双极板的制备方法，其特征在于：高分子树脂粉末与溶剂的质量比例为（1：1）～（1：10）。
10.按照权利要求7所述的钒电池用双极板的制备方法，其特征在于：导电填料为导电碳黑；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，二者质量比为（1：1）～（1：10）；当选择碳纤维粉与导电碳黑时，二者质量比为（1：1）～（1：10）；
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。
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