CN104466197B - 一种钒电池用双极板及其制备方法 - 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双极板及其制备方法，解决了现有技术中双极板物料混炼均匀程度难以保证，聚合物‑碳黑复合双极板电阻率过高以及电化学腐蚀造成双极板表面电阻增大等问题。本发明由碳纤维布预处理后浸渍在导电胶中固化形成基体，再与碳材料在压机上热压复合制备钒电池用双极板。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金属粉制备导电胶，将选好的碳纤维布做预处理后浸渍在导电胶中固化作为基体，再通过热压将碳材料与基体复合制备高导电率、高强度、耐腐蚀的双极板；本发明的双极板导电率高、复合后提高钒电池单片间的一致性，并且机械强度高保证了钒电池的可靠性。
Description
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、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采用开炼机或者挤出机混炼树脂和导电填料但是都存在难于混合均匀的弊端，并且电导率都偏低。
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。采用传统混合方式制备的双极板电阻率高，难于满足电池对导电性能要求。并且，在使用过程中，由于电化学腐蚀造成双极板表面碳黑颗粒剥离，电阻增大，引起窜液，严重时可能导致电池失效。
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双极板及其制备方法，解决现有技术中物料混炼均匀程度难以保证，聚合物-碳黑复合双极板电阻率过高以及电化学腐蚀造成双极板表面电阻增大等问题。
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，由碳纤维布预处理后浸渍在导电胶中固化形成基体，再与碳材料在压机上热压复合制备钒电池用双极板；
其中，碳纤维布整体浸入0.5～1wt％浓度的硅烷偶联剂溶液中进行偶联预处理，硅烷偶联剂溶液为硅烷偶联剂15～25wt％、乙醇70～75wt％、水5～10wt％组成，硅烷偶联剂溶液pH值4～5；导电胶为合成树脂和金属粉及溶剂和固化剂构成，其中：合成树脂为环氧树脂、硅酮、酚醛树脂之一种；金属粉为银粉、铜镀银粉之一种；溶剂为无水乙醇、异丙醇、丙酮之一种；固化剂为三乙烯四胺、乙二胺、乙醇胺之一种。
所述的钒电池用双极板，碳纤维布网格尺寸在3mm×3mm并均匀分布，厚度0.3～0.8mm，每平方克重：80克。
所述的钒电池用双极板，碳材料为纯石墨、纯炭黑或碳纤维粉，不含树脂，厚度为0.01～2mm。
所述的钒电池用双极板的制备方法，具体步骤如下：
1)将硅烷偶联剂配成0.5～1wt％浓度的稀溶液，溶剂是水和醇配制的溶液，溶液比例为硅烷偶联剂15～25wt％、乙醇70～75wt％、水5～10wt％，调节pH值至4～5，将碳纤维布整体浸入偶联剂溶液中10～30min，取出，室温晾干待用；
2)将合成树脂和溶剂混合后，加入金属粉混合调匀，再加入固化剂后制成导电胶；
3)将碳纤维布整体浸渍在导电胶中10～60min，取出后静置30～120min作为基体待用；
4)将碳材料放入模具底层，加入基体再加层碳材料，热压后制成钒电池用双极板；热压温度为100～300℃，热压时间为5～200min，热压压力为0.1～25MPa。
本发明的设计思想是：
本发明双极板由碳纤维布预处理后浸渍在导电胶中固化形成基体，再与碳材料复合制备一种钒电池用双极板。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金属粉制备导电胶，将选好的碳纤维布做预处理后浸渍在导电胶中固化作为基体，再通过热压将碳材料与基体复合制备高导电率、高强度、耐腐蚀的双极板。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明钒电池用双极板是以碳纤维布预处理后浸渍在导电胶中固化形成基体，再与碳材料复合成一体，成型工艺简单、避免传统聚合物-碳素材料复合双极板加工过程难于混合均匀的弊端。
2、本发明钒电池用双极板通过与碳材料复合后，消除了双极板与电极之间的接触电阻，提高了单片间的一致性，保证了电池的可靠性。
附图说明
图1(a)-(b)为钒电池用双极板的结构示意图。其中，1碳材料，2碳纤维布预处理后浸渍在导电胶中固化形成基体，3碳材料。
具体实施方式
如图1(a)-(b)所示，本发明钒电池用双极板包括碳材料1、碳纤维布预处理后浸渍在导电胶中固化形成基体2、碳材料3，碳纤维布预处理后浸渍在导电胶中固化形成基体2两侧分别为碳材料1和碳材料3，再与碳材料(碳材料1和碳材料3)通过热压复合构成一种新型钒电池用双极板。其中，
碳纤维布网格尺寸在3mm×3mm并均匀分布，厚度0.3～0.8mm，每平方克重：80克。并且，对碳纤维布进行偶联预处理，采用不同种类的取代硅烷偶联剂，进行表面处理：将硅烷偶联剂配成0.5～1wt％浓度的稀溶液，溶剂是水和醇配制的溶液，溶液比例为硅烷偶联剂(20wt％)、乙醇(72wt％)、水(8wt％)，调节pH值至4～5，使用时将碳纤维布整体浸入硅烷偶联剂溶液中10～30min，取出，室温晾干待用。导电胶为合成树脂和金属粉及溶剂和固化剂构成，其中：合成树脂为环氧树脂、硅酮、酚醛树脂之一种；金属粉为银粉、铜镀银粉之一种；溶剂为无水乙醇、异丙醇、丙酮之一种；固化剂为三乙烯四胺、乙二胺、乙醇胺之一种。
本发明中，特定配制的导电胶以及硅烷偶联剂作用和好处是：由于加入少量的金属粉制备的导电胶流动性好，将碳纤维布预处理后浸渍在导电胶中固化形成基体，制备工艺简单，成本低。
硅烷偶联剂适用于玻璃纤维胶黏剂以及无机填充物的热固性树脂体系，因此添加少量的硅烷偶联剂就能发挥相当重要的作用，当偶联剂的质量分数一定时，预处理法由于使得偶联剂与碳材料的作用完全，加强了碳材料与树脂的相互作用，在一定程度上加强了碳材料与基材间的相互作用，起到良好的分散作用。
碳材料为纯石墨、纯炭黑或碳纤维粉，不含树脂，厚度为0.01～2mm。
所述钒电池用双极板的制备方法，具体步骤如下：
1)将硅烷偶联剂配成0.5～1wt％浓度的稀溶液，溶剂是水和醇配制的溶液，溶液比例为硅烷(20wt％)、乙醇(72wt％)、水(8wt％)，调节pH值至4～5，将碳纤维布整体浸入偶联剂溶液中10～30min，取出，室温晾干待用。
2)将合成树脂和溶剂混合后，加入金属粉混合调匀，再加入固化剂后制成导电胶；
3)将碳纤维布整体浸渍在导电胶中10～60min，取出后静置30～120min作为基体待用；
4)将碳材料放入模具底层，加入基体再加层碳材料，热压后制成钒电池用双极板；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
将硅烷偶联剂配成0.5wt％浓度的稀溶液，溶剂是水和醇配制的溶液，溶液比例为硅烷偶联剂(20wt％)、乙醇(72wt％)、水(8wt％)，调节pH值至4，将碳纤维布整体浸入偶联剂溶液中10min，取出，室温晾干待用。将环氧树脂和丙酮混合后，加入银粉混合调匀再加入三乙烯四胺后制成导电胶；将碳纤维布整体浸渍在导电胶中20min，取出后静置30min作为基体待用；取0.3mm纯石墨粉放入模具底层，加入基体再加层0.3mm纯石墨粉，热压后制成钒电池用双极板；热压温度为120℃，热压时间为120min，热压压力为5MPa。
本实施例中，钒电池用双极板的技术参数和性能指标如下：
钒电池用双极板的体积电阻率为：0.05Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，在50mA/cm2充放条件下：库仑效率94％，电压效率88％，能量效率83％。
实施例2
将硅烷偶联剂配成0.6wt％浓度的稀溶液，溶剂是水和醇配制的溶液，溶液比例为硅烷偶联剂(20wt％)、乙醇(72wt％)、水(8wt％)，调节pH值至5，将碳纤维布整体浸入偶联剂溶液中20min，取出，室温晾干待用。将环氧树脂和乙醇混合后，加入铜包银粉混合调匀再加入乙二胺后制成导电胶；将碳纤维布整体浸渍在导电胶中30min，取出后静置40min作为基体待用；取1mm碳黑放入模具底层，加入基体再加层1mm碳黑，热压后制成钒电池用双极板；热压温度为160℃，热压时间为180min，热压压力为10MPa。
本实施例中，钒电池用双极板的技术参数和性能指标如下：
钒电池用双极板的体积电阻率为：0.06Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，在50mA/cm2充放条件下：库仑效率94％，电压效率86％，能量效率81％。
实施例3
将硅烷偶联剂配成0.7wt％浓度的稀溶液，溶剂是水和醇配制的溶液，溶液比例为硅烷偶联剂(20wt％)、乙醇(72wt％)、水(8wt％)，调节pH值至4，将碳纤维布整体浸入偶联剂溶液中30min，取出，室温晾干待用。将硅酮和丙酮混合后，加入银粉混合调匀再加入三乙烯四胺后制成导电胶；将碳纤维布整体浸渍在导电胶中50min，取出后静置50min作为基体待用；取0.8mm碳纤维粉放入模具底层，加入基体再加层0.8mm碳纤维粉，热压后制成钒电池用双极板；热压温度为180℃，热压时间为150min，热压压力为15MPa。
本实施例中，钒电池用双极板的技术参数和性能指标如下：
钒电池用双极板的体积电阻率为：0.04Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，在50mA/cm2充放条件下：库仑效率95％，电压效率88％，能量效率84％。
实施例4
将硅烷偶联剂配成0.8wt％浓度的稀溶液，溶剂是水和醇配制的溶液，溶液比例为硅烷偶联剂(20wt％)、乙醇(72wt％)、水(8wt％)，调节pH值至5，将碳纤维布整体浸入偶联剂溶液中15min，取出，室温晾干待用。将环氧树脂和丙酮混合后，加入银粉混合调匀再加入乙醇胺后制成导电胶；将碳纤维布整体浸渍在导电胶中35min，取出后静置45min作为基体待用；取1.5mm纯石墨放入模具底层，加入基体再加层1.5mm纯石墨，热压后制成钒电池用双极板；热压温度为170℃，热压时间为200min，热压压力为18MPa。
本实施例中，钒电池用双极板的技术参数和性能指标如下：
钒电池用双极板的体积电阻率为：0.06Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，在50mA/cm2充放条件下：库仑效率96％，电压效率85％，能量效率82％。
实施例5
将硅烷偶联剂配成0.9wt％浓度的稀溶液，溶剂是水和醇配制的溶液，溶液比例为硅烷偶联剂(20wt％)、乙醇(72wt％)、水(8wt％)，调节pH值至4，将碳纤维布整体浸入偶联剂溶液中20min，取出，室温晾干待用。将酚醛树脂树脂和乙醇混合后，加入铜包银粉混合调匀再加入聚乙烯醇缩丁醛后制成导电胶；将碳纤维布整体浸渍在导电胶中30min，取出后静置40min作为基体待用；取2.0mm碳纤维粉放入模具底层，加入基体再加层2.0mm碳纤维粉，热压后制成钒电池用双极板；热压温度为160℃，热压时间为120min，热压压力为15MPa。
本实施例中，钒电池用双极板的技术参数和性能指标如下：
钒电池用双极板的体积电阻率为：0.04Ω.cm。作为钒电池正负极集流板，在50mA/cm2充放条件下：库仑效率95％，电压效率87％，能量效率83％。
实施例结果表明，本发明的双极板导电率高、复合后提高钒电池单片间的一致性，并且机械强度高保证了钒电池的可靠性。
Claims (4)
1.一种钒电池用双极板，其特征在于：由碳纤维布预处理后浸渍在导电胶中固化形成基体，再与碳材料在压机上热压复合制备钒电池用双极板；
其中，碳纤维布整体浸入0.5～1wt％浓度的硅烷偶联剂溶液中进行偶联预处理，硅烷偶联剂溶液为硅烷偶联剂15～25wt％、乙醇70～75wt％、水5～10wt％组成，硅烷偶联剂溶液pH值4～5；导电胶为合成树脂和金属粉及溶剂和固化剂构成，其中：合成树脂为环氧树脂、硅酮、酚醛树脂之一种；金属粉为银粉、铜镀银粉之一种；溶剂为无水乙醇、异丙醇、丙酮之一种；固化剂为三乙烯四胺、乙二胺、乙醇胺之一种。
2.按照权利要求1所述的钒电池用双极板，其特征在于：碳纤维布网格尺寸在3mm×3mm并均匀分布，厚度0.3～0.8mm，每平方克重：80克。
3.按照权利要求1所述的钒电池用双极板，其特征在于：碳材料为纯石墨、纯炭黑或碳纤维粉，不含树脂，厚度为0.01～2mm。
4.一种权利要求1所述的钒电池用双极板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)将硅烷偶联剂配成0.5～1wt％浓度的稀溶液，溶剂是水和醇配制的溶液，溶液比例为硅烷偶联剂15～25wt％、乙醇70～75wt％、水5～10wt％，调节pH值至4～5，将碳纤维布整体浸入偶联剂溶液中10～30min，取出，室温晾干待用；
2)将合成树脂和溶剂混合后，加入金属粉混合调匀，再加入固化剂后制成导电胶；
3)将碳纤维布整体浸渍在导电胶中10～60min，取出后静置30～120min作为基体待用；
4)将碳材料放入模具底层，加入基体再加层碳材料，热压后制成钒电池用双极板；热压温度为100～300℃，热压时间为5～200min，热压压力为0.1～25MPa。
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