CN110265685B - 一种全钒液流电池用改性双极板制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全钒液流电池用改性双极板制备方法。该方法包括均匀原料组分成型、表面喷涂导电剂、两次热压和恒温冷却。本发明提供的技术方案将导电涂层与基层充分热熔在一起，大大降低了制得的双极板具有分层结构的弊端，解决了过充和长时间运行后，面电阻增加和结构改变等问题，制得的双极板具有面电阻小，机械性能强，抗氧化抗腐蚀性能好等优点。
Description
技术领域
本发明属于储能电池制造领域，具体为一种全钒液流电池用改性双极板制备方法。
背景技术
全钒氧化还原液流电池由储液罐、管路、泵、电堆等构成，具有不同于传统电化学电池的特点：电堆电极的表面积和单体电池数决定了功率；电解液活性物质的量决定了容量，所有电堆共用全部的电解液。可作为备用电源和电网调峰等。全钒液流储能电池的重要部件之一为双极板。双极板的材料应具有良好的导电性、耐腐蚀性、阻液性以及一定的机械强度。可以用于全钒液流储能电池的双极板材料主要有石墨和碳塑复合材料。
碳塑复合材料制备的双极板主要优点是加工简单、成本低，适合大规模生产。碳塑复合双极板由聚合物和导电填料混合后经模压、注塑等方法制作成型，其机械性能主要由聚合物提供，机械强度通过在聚合物中加入石墨纤维、玻璃纤维、聚酯纤维、棉纤维等短纤维以提高，其导电性能由导电填料形成的导电网络提供，用来作为导电填料的材料有碳纤维、石墨粉和碳黑。
申请号为201210103754.0、名为《一种钒电池用导电塑料双极板的制备方法》的中国专利提供了一种导电塑料双极板，该技术将导电塑料原料在高温机中混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出成型，并在塑料板表面喷涂导电剂，在表面形成导电涂层，制得导电塑料双极板，该双极板导电率高并且比表面积大、与电极之间接触好，钒电池性能高。根据记载的内容发现当钒电池循环运行时间比较长时，正极侧的导电塑料极板会出现鼓包甚至分层的现象，严重影响钒电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提出一种全钒液流电池用改性双极板的制备方法，能够解决现有技术中导电塑料双极板材料制备方法存在的极板分层的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种全钒液流电池用改性双极板的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)制备树脂、导电剂和助剂混合料；
2)用所得混合料制备极板；
3)于所述极板表面喷涂导电涂层，进行两次热压、冷却后制得改性双极板；
优选的，所述步骤1)中各组分的质量百分比为：
导电剂20％～70％；
树脂粉末20％～70％；
助剂20％～30％。
优选的，所述导电涂层包括按质量百分比计的下述组份：
导电剂20％～30％；
树脂粉末10％～20％；
溶剂60％～80％。
优选的，所述步骤1)中，于40～50℃下在600～2000转/分的高速混合机中混合。
优选的，所述导电剂包括从导电炭黑、石墨粉、乙炔黑、碳纤维和碳纳米纤维管中选出的一种或几种。
优选的，所述树脂粉末包括PE、PP和PVC。
优选的，所述助剂包括分散剂、偶联剂和稀释剂；所述分散剂包括丙烯酸醋类；所述偶联剂包括铁酸醋偶联剂或硅炕偶联剂；所述稀释剂包括液体石蜡或异丙醇。
优选的，所述溶剂包括无水乙醇。
优选的，步骤3)中所述喷涂方法包括从热喷涂和静电喷涂中选出的一种或两种组合。
优选的，所述静电喷涂包括如下步骤：上件、脱脂、清洗、去绣、清洗、磷化、清洗、钝化、粉末静电喷涂、固化、冷却和下件。
优选的，步骤3)中导电涂层厚度为0.1～0.5mm。
优选的，步骤3)中所述两次热压包括如下步骤：
A、于180～260℃和30～45Mpa下热压5～10分钟后；
B、再于100～180℃和45～60Mpa下热压15～20分钟。
优选的，步骤3)中冷却包括如下步骤：
C、于50℃下恒温15～20分钟后；
D、再于20℃下恒温10～15分钟。
优选的，所述双极板表面敷设有5～10μm的石墨层。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
本发明提供的全钒液流电池用改性双极板制备方法通过在导电塑料双极板的表面上喷涂导电涂层后两次热压制得，经过两次热压所制备的导电塑料双极板降低了分层的弊端，所制备出的导电塑料双极板面电阻小，寿命长，操作过程简便，易于工业化生产。
本发明提供的全钒液流电池用改性双极板制备方法进一步提供了有效的热压压力、热压温度和热压时间的热压工艺，第一次热压使得塑料板表面层与喷涂层呈热熔状态，第二次长时间较大压力的热压将导电涂层与基层充分热熔在一起，进一步降低了分层的弊端，所制备出来的导电塑料双极板面电阻小，机械性能强，抗氧化抗腐蚀性能好。
附图说明：
图1本发明公开的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法整体流程图；
图2实施例1改性前的双极板表面；
图3实施例1改性后的双极板表面；
图4实施例1双极板使用后的表面；
图5实施例1双极板使用前的断面；
图6实施例1双极板使用后的断面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的制各工艺流程图。
如图1所示，本发明制备工艺流程是：导电剂、基体树脂、助剂均匀混合后，经挤出机挤出成型、表面喷涂导电剂、热压喷涂层、恒温冷却制备导电塑料双极板。
实施例1、双极板制备方法的具体步骤如下：
1、双极板采用原料各组分的重量百分数为:导电炭黑40、PE、PP和PVC的混合物35、液体石蜡和铁酸醋偶联剂25；
2、按上述比例将导电剂、基体树脂、助剂加入到高速混合机中，然后用高速混合机于1000转/分、45℃下充分搅拌。
3、搅拌完成后，将混合物加入双螺杆挤出机中，挤出成型，见图2所示。
4、采用热喷涂的方法，将喷涂导电涂层均匀喷涂在成型的导电塑料双极板表面，塑料板表面导电涂层厚度为0.25mm；喷涂导电剂各组分的质量百分数为:导电炭黑30、PE、PP和PVC的混合物10、无水乙醇60。
5、热压首先采用200℃，压力40Mpa，热压8分钟；然后采用140℃，压力55Mpa，18分钟；
6、恒温冷却首先采用恒温50℃，18分钟；然后恒温20℃，12分钟，制得导电塑料双极板，如图3所示，经过表面处理的双极板表面有一层8微米的石墨层。
实施例2、双极板制备方法的具体步骤如下：
1、双极板采用原料各组分的重量百分数为:导电炭黑20、PE、PP和PVC的混合物50、异丙醇和硅炕偶联剂30；
2、按上述比例将导电剂、基体树脂、助剂加入到高速混合机中，然后用高速混合机于600转/分、50℃下充分搅拌。
3、搅拌完成后，将混合物加入双螺杆挤出机中，挤出成型。
4、采用热喷涂和静电喷涂混合的方法，将喷涂导电涂层均匀喷涂在成型的导电塑料双极板表面，塑料板表面导电涂层厚度为0.1mm；喷涂导电剂各组分的质量百分数为:导电炭黑20、PE、PP和PVC的混合物20、无水乙醇60。
5、热压首先采用180℃，压力30Mpa，热压10分钟；然后采用100℃，压力60Mpa，20分钟；
6、恒温冷却首先采用恒温50℃，15分钟；然后恒温20℃，15分钟，制得导电塑料双极板，所述双极板表面有一层5微米的石墨层。
实施例3、双极板制备方法的具体步骤如下：
1、双极板采用原料各组分的重量百分数为:导电炭黑60、PE、PP和PVC的混合物20、液体石蜡和铁酸醋偶联剂20；
2、按上述比例将导电剂、基体树脂、助剂加入到高速混合机中，然后用高速混合机于2000转/分、40℃下充分搅拌。
3、搅拌完成后，将混合物加入双螺杆挤出机中，挤出成型。
4、采用静电喷涂的方法，将喷涂导电涂层均匀喷涂在成型的导电塑料双极板表面，塑料板表面导电涂层厚度为0.5mm；喷涂导电剂各组分的质量百分数为:导电炭黑20、PE、PP和PVC的混合物10、无水乙醇70。
5、热压首先采用260℃，压力45Mpa，热压5分钟；然后采用180℃，压力45Mpa，15分钟；
6、恒温冷却首先采用恒温50℃，20分钟；然后恒温20℃，10分钟，制得导电塑料双极板，所述双极板表面有一层10微米的石墨层。
实施例4、双极板制备方法的具体步骤如下：
1、双极板采用原料各组分的重量百分数为:导电炭黑20、PE、PP和PVC的混合物60、液体石蜡和铁酸醋偶联剂20；
2、按上述比例将导电剂、基体树脂、助剂加入到高速混合机中，然后用高速混合机于1200转/分、43℃下充分搅拌。
3、搅拌完成后，将混合物加入双螺杆挤出机中，挤出成型。
4、采用静电喷涂的方法，将喷涂导电涂层均匀喷涂在成型的导电塑料双极板表面，塑料板表面导电涂层厚度为0.3mm；喷涂导电剂各组分的质量百分数为:乙炔黑20、PE、PP和PVC的混合物10、无水乙醇70。
5、热压首先采用200℃，压力35Mpa，热压8分钟；然后采用150℃，压力52Mpa，17分钟；
6、恒温冷却首先采用恒温50℃，16分钟；然后恒温20℃，11分钟，制得导电塑料双极板，所述双极板表面有一层7微米的石墨层。
实施例5、双极板制备方法的具体步骤如下：
1、双极板采用原料各组分的重量百分数为:乙炔黑60、PE、PP和PVC的混合物20、丙烯酸正丁醋、液体石蜡和铁酸醋偶联剂20；
2、按上述比例将导电剂、基体树脂、助剂加入到高速混合机中，然后用高速混合机于1300转/分、45℃下充分搅拌。
3、搅拌完成后，将混合物加入双螺杆挤出机中，挤出成型。
4、采用静电喷涂的方法，将喷涂导电涂层均匀喷涂在成型的导电塑料双极板表面，塑料板表面导电涂层厚度为0.3mm；喷涂导电剂各组分的质量百分数为:乙炔黑20、PE、PP和PVC的混合物15、无水乙醇65。
5、热压首先采用220℃，压力36Mpa，热压6分钟；然后采用140℃，压力55Mpa，18分钟；
6、恒温冷却首先采用恒温50℃，16分钟；然后恒温20℃，13分钟，制得导电塑料双极板，所述双极板表面有一层6微米的石墨层。
实施例1～5所制备的双极板性能：
作为钒电池正负极集流板，电堆实际运行2000小时以上。长期寿命测试前后，实施例1面变化如图4，断面如图5，图6所示。通过对使用前后双极板表面及截面的观测，可以发现使用前后双极板的表面结构没有发生物理变化，而且表面处理层完整密实，从而也部分说明双极板没有发生明显变化，而且双极板的表面镀层能够起到保护双极板表面，提高表面导电性的作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)制备树脂、导电剂和助剂混合料；
2)用所得混合料制备极板；
3)于所述极板表面喷涂导电涂层，进行两次热压、冷却后制得改性双极板；
步骤3)中所述两次热压包括如下步骤：
A、于180～260℃和30～45Mpa下热压5～10分钟后；
B、再于100～180℃和45～60Mpa下热压15～20分钟。
2.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述步骤1)中各组分的质量百分比为：
导电剂20％～70％；
树脂粉末20％～70％；
助剂20％～30％。
3.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述导电涂层包括按质量百分比计的下述组份：
导电剂20％～30％；
树脂粉末10％～20％；
溶剂60％～80％。
4.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，于40～50℃下在600～2000转/分的高速混合机中混合。
5.根据权利要求2或3所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述导电剂包括从导电炭黑、石墨粉、乙炔黑、碳纤维和碳纳米纤维管中选出的一种或几种。
6.根据权利要求2或3所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述树脂粉末包括PE、PP和PVC。
7.根据权利要求2所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述助剂包括分散剂、偶联剂和稀释剂；所述分散剂包括丙烯酸醋类；所述偶联剂包括铁酸醋偶联剂或硅炕偶联剂；所述稀释剂包括液体石蜡或异丙醇。
8.根据权利要求3所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述溶剂包括无水乙醇。
9.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，步骤3)中所述喷涂方法包括从热喷涂和静电喷涂中选出的一种或两种组合。
10.根据权利要求9所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述静电喷涂包括如下步骤：上件、脱脂、清洗、去绣、清洗、磷化、清洗、钝化、粉末静电喷涂、固化、冷却和下件。
11.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，步骤3)中导电涂层厚度为0.1～0.5mm。
12.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，步骤3)中冷却包括如下步骤：
C、于50℃下恒温15～20分钟后；
D、再于20℃下恒温10～15分钟。
13.根据权利要求1所述的一种全钒液流电池用改性双极板制备方法，其特征在于，所述双极板表面敷设有5～10μm的石墨层。
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