CN110600750A - 一种全钒液流电池复合端电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了全钒液流电池复合端电极及其制备方法，复合端电极包括碳毡、电极片、绝缘板外框片和铜电极片，所述绝缘板外框片中间位置设置前后通透的中空腔，所述电极片融合于绝缘板外框片的中空腔内，按照电极片、绝缘板外框片、铜电极片、绝缘板外框片和电极片的顺序叠加于模具内腔内，热压模具制取端电极胚料，所述碳毡通过电阻焊接机焊接于端电极胚料上的电极片表面上。其制备方法包括裁切准备端电极胚料组件；端电极胚料热压成形；端电极胚料机加工；焊接碳毡层，制取复合端电极。本发明有效降低表面接触电阻，提高流电池电压效率，简化装配工艺，降低装配密封风险。
Description
技术领域
本发明涉及全钒液流电池制造技术领域，特别是一种全钒液流电池复合端电极及其制备方法。
背景技术
液流储能电池是一种低成本、高效率、环境友好型的液流储能电池，具有能量密度和电流效率高、装置简单易操纵、使用寿命长、成本低廉等优点。目前主流的液流电池主要有全钒液流电池及锌溴液流电池，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电、电动汽车等领域。其中全钒液流电池是目前市场拓展较为成熟的一种。
双极板是液流电池的关键组成部件之一，起到内部串联电池单元导电，同时提供电化学反应场所的作用。传统的全钒液流电池多采用石墨压板片材或聚乙烯基材的碳添加型导电片材作为电极板使用。因为组装、密封工艺，及耐腐蚀性等需求，基板材料需要在具备较高电导率的同时，有较好的韧性和较高的结构，耐腐蚀性。聚乙烯基材的碳添加型导电片材在韧性方面可以做到较好，但由于机理的限制，电阻率想做很低就会大大提高加工成型的难度。同时，好的韧性及工艺性必然牺牲电阻率性能，虽然可以做到较低的成本但性能折扣明显。
全钒液流电池的极板电阻有两部分组成，分别都会对电池效率产生影响。
其一，极板片材的本身电阻影响：极板片材直接的厚度电阻最终会反应到充放电内耗上，致使充放电分压，降低电池的电压效率
其二，极板的表面接触电阻影响：电极与隔膜之间加碳毡层，起到搭载反应介质及实现电传导作用，但是同样也会由于电机和碳毡之间的接触产生极板的表面接触电阻，降低电池的电压效率
液流电池运行过程中，电流通过内部电解液及碳毡与极板的接触实现传导，这就要求极板拥有较好的表面接触传导能力，从而反馈较好的能量转移效果。经实验测定，接触电阻能占到总电阻率的50～70％。因此，降低表面接触电阻率可以大大降低总电阻率，实现更高的电压效率。
目前市场上的全钒液流电池，其内部单片的电极板可以使用塑料极板与碳毡焊接实现一体化降低电阻。但是电池端电极因其需要使用铜板对外引出接线结构的特殊要求，很难实现一体化。当前主流的端电极结构还是以简单的物理性接触装配为主。如图1所示，现有技术的端电极结构为分体结构，即碳毡、极板与铜电极通过物理压合到一起，实现互相接触导通，这种结构的接触电阻极大，且装配复杂，容易出现缺陷，同时装配有间隙，容易漏液
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种复合端电极，即通过热压和焊接工艺制备一种将铜极板片、电极板、碳毡整合成一体的复合端电极板，实现了中间碳毡区内部连接导电极板，铜电极位于复合端电极的中心，从中心铜电极片引出极耳的结构。此结构降低接触电阻，提高全钒液流电池电压效率，并同时提供了复合端电极的制备方法，此制备方法简化装配工艺，降低装配密封风险。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种全钒液流电池复合端电极，包括碳毡、电极片、绝缘板外框片和铜电极片，所述绝缘板外框片中间位置设置前后通透的中空腔，所述电极片融合于绝缘板外框片的中空腔内，按照电极片、绝缘板外框片、铜电极片、绝缘板外框片和电极片的顺序叠加于模具内腔内，热压模具制取端电极胚料，所述碳毡通过电阻焊接机，焊接于端电极胚料上的电极片表面上。
前述的这种全钒液流电池复合端电极中，所述电极片为PE导电电极片，所述绝缘板外框片为PE材料。
前述的这种全钒液流电池复合端电极中，所述铜电极片顶端设置有极耳，铜电极片的表面均匀设置有孔洞。
前述的这种全钒液流电池复合端电极中，所述电极片的厚度与绝缘板外框片的厚度相同，电极片的厚度为1.0～1.5mm，绝缘板外框片的厚度为1.0～1.5mm。
全钒液流电池复合端电极制备方法，包括以下步骤：
步骤一，裁切准备端电极组件，按照阴模内腔尺寸裁切绝缘板外框片的尺寸，按照绝缘外框片中空腔尺寸裁切铜电极片的尺寸、电极片的尺寸和碳毡的尺寸，按照阴模上极耳固定孔尺寸裁切铜电极片上端极耳的尺寸；
步骤二，端电极胚料热压成形，在模具内部把电极片、绝缘板外框片和铜电极片通过叠加方式罗列好，然后通过平板模压机加热压使各层融合到一起，冷却取模，制取端电极胚料；
步骤三，端电极胚料机加工，使用塑料雕刻机，将步骤二中制取的端电极胚料的极板面进行铣平加工，准备下一步碳毡焊接；
步骤四，焊接碳毡层，将步骤三中加工完成的端电极胚料的极板面与碳毡叠放，置于电阻焊接机中，然后加电流完成焊接碳毡，焊接完成制取复合端电极。
前述的这种全钒液流电池复合端电极制备方法中，所述步骤二中包括以下步骤：
(1)在阴模腔内叠放三层绝缘板外框片，将三层电极片分别装配到三层绝缘板外框片的中空腔内；
(2)平放铜电极片于第三层装配了电极片的绝缘板外框片上，极耳探出阴模上极耳固定孔，固定极耳；
(3)在铜电极片上继续叠放三层绝缘板外框片，同时将三层电极片分别装配到三层绝缘板片的中空腔内；
(4)将阳模盖到经过上面步骤装配的阴模上，形成装有各层端电极片的模具，把模具放入平板模压机进行热压成形。
(5)热压成形后，进行冷却出模，获得端电极胚料。
前述的这种全钒液流电池复合端电极制备方法中，所述步骤(4)中，所述热压成形中，热压温度为140～170℃，热压机施加压力为50～100kg/CM2，时间为200～300秒。
前述的这种全钒液流电池复合端电极制备方法中，所述步骤(5)中，所述冷却出模中，冷却温度为10～20℃，冷却压力为50～100kg/CM2，时间为200～300秒。
前述的这种全钒液流电池复合端电极制备方法中，所述步骤四中，通过电阻焊接机的机械限位控制碳毡压缩量，所述碳毡压缩量为15～30％。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明一种全钒液流电池复合端电极，相对于现有技术而言，通过热压和焊接工艺制备一种将铜极板片、电极板、碳毡整合成一体的复合端电极板，降低电极片的表面接触电阻，提高电池电压效率。并提供了该复合端电极的制备方法，该制备方法简化装配工艺，降低装配密封风险。
附图说明
图1是现有技术端电极分体结构示意图；
图2是本发明端电极结构示意图；
图3是本发明端电极胚料组件示意图；
图4是本发明端电极胚料装配组件示意图。
附图标记的含义：1-电极片 2-铜电极片 3-碳毡 4-绝缘板外框片 5-极耳
6-中空腔 1.1—第一层电极片 1.2—第二层电极片 1.3—第三层电极片
4.1—第一层绝缘板外框片 4.2—第二层绝缘板外框片 4.3—第三层绝缘板外框片
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
如图2，4所示，一种全钒液流电池复合端电极，包括碳毡3、电极片1、绝缘板外框片4和铜电极片2，所述绝缘板外框4中间位置设置前后通透的中空腔6，所述电极片1融合于绝缘板外框片4的中空腔6内，按照电极片1，绝缘板外框片4，铜电极片2，绝缘板外框片3，电极片1的顺序叠加于模具内腔内，热压模具制取端电极胚料，所述碳毡3通过电阻焊接机，焊接于端电极胚料上的电极片表面上。如图1所示，现有技术的全钒液流电池的端电极为分体结构，依靠铜电机片2与电极片1的简单接触导通，此结构会导致有较大的接触电阻，并且整体结构需要做到液相密封，避免电解液与引出电极铜板之间的接触，同时要包含电极框的结构以实现电解液流道及外部密封，造成装配复杂以及存在漏液风险。本发明全钒液流电池复合端电极，通过热压和焊接工艺，将碳毡3，电极片1，绝缘板外框片4和铜电极片2整合成一体的复合端电极。降低了电极片1的表面接触电阻，提高的流电池的电压效率。
如图3所示，绝缘板外框片4中间位置设置前后通透的中空腔6，电极片1镶嵌于绝缘板外框片的中空腔6内，并且电极片1为PE导电电极片，绝缘板外框片4为PE材料，即电极片1的材料和绝缘板外框片4的材料相同，且电极片1的厚度和绝缘板外框片4厚度相同，都是1.0～1.5mm，在裁切准备端电极组件中，按照绝缘外框4中空腔尺寸裁切电极片的尺寸,所以通过平板模热压机能够将电极片1融合于绝缘外框片4的中空腔6内。本发明的复合端电极中的铜电极片2与融合了电极片1的绝缘板外框片4融合在一起，并且在裁切准备端电极组件中，按照绝缘外框片4中空腔6尺寸裁切铜电极片2的尺寸和电极片1的尺寸，所以铜电极片2与电极片1的尺寸相同，而小于绝缘板外框的尺寸，即铜电极片2与融合了电极片1的绝缘板外框片4融合时，铜电极片2与融合于绝缘板外框片4上的电极片2全面接触，而于电极片以外的绝缘板外框片4没有接触面积，此结构降低了电极片1和铜电极片2的接触面积，从而也就降低了表面接触电阻。铜电极片2的表面设置均匀的孔洞，此结构在铜电极片2与融合电极片1的绝缘板外框片4通过热压融合过程中，使铜电极片2带有孔洞镶嵌于电极片1上，进一步降低了铜电极片2与电极片1的额接触面积，降低了电极片1的表面接触电阻。碳毡3通过电阻焊接机焊接于端电极胚料的电极面上，在裁切准备端电极组件中，按照绝缘外框中空腔6尺寸裁切铜电极片3的尺寸，电极片1的尺寸和碳毡3的尺寸，即碳毡3尺寸与电极片1尺寸相同，碳毡3与端电极胚料的电极面的焊接连接结构，以及碳毡3尺寸与电极片1尺寸相同，都能够降低了电极片1与碳毡3的表面接触电阻，提高流电池的电压效率。
如图4所示，按照电极片1，绝缘板外框片4，铜电极片2，绝缘板外框片4，电极片1的顺序叠加于模具内腔6内，热压模具制取端电极胚料，即首先在阴模内，按照三层电极片1，即第一层电极片1.1，第二层电极片1.2，第三层电极片1.3，三层绝缘板外框片4即第一层绝缘板外框片4.1，第二层绝缘板外框片4.2，第三层绝缘板外框片4.3，铜电极片2，三层绝缘板外框片4，即第一层绝缘板外框片4.1，第二层绝缘板外框片4.2，第三层绝缘外框片4.3,三层电极片1，即第一层电极片1.1，第二层电极片1.2，第三层电极片1.3的顺序叠加于阴模腔内，然后此阴模上盖上阳模，组合成内腔装有各层端电极片的模具，将此模具放入平板模热压机内，进行热压。也就是铜电极片2左右两边各有三层电极片1和三层的绝缘板外框片4，左右两边的电极片1和绝缘板外框片4都是按照第一层电极片1.1装配到第一层绝缘板外框片4.1的中空腔6内，依次装配顺序，即第二层电极片1.2装配到第二层绝缘板外框片4.2的中空腔6内，第三层电极片1.3装配到第三层绝缘板外框片4.3的中空腔6内，模具内腔中端电极片的叠放就是按照左边三层装配了电极片1的绝缘板外框片4，铜电极片2，右边三层装配了电极片1的绝缘板外框片4，通过热压，将左边三层电极片1分别热熔于绝缘板外框片4的中空腔6内，即第一层电极片1.1热熔于第一层绝缘板外框片4.1的中空腔6内、第二层电极片1.2热熔于第二层绝缘板外框片4.2的中空腔6内、第三层电极片1.3热熔于第三层绝缘板外框片4.3的中空腔6内，铜电极片2，右边三层电极片1分别热熔于绝缘板外框片4的中空腔内6，即第一层电极片1.1热熔于第一层绝缘板外框片4.1的中空腔6内、第二层电极片1.2热熔于第二层绝缘板外框片4.2的中空腔6内、第三层电极片1.3热熔于第三层绝缘板外框片4.3的中空腔6内，所有片材的相互接触面都热融合连接到一起，制取了端电极胚料，然后所述碳毡3通过电阻焊接机，焊接于端电极胚料电极片的表面上，此制备过程简化了端电极的装配工艺。并且绝缘板外框片4可加工流道，铜电极片2位于端电极的中心，铜电极片2上端设置极耳5，即从中心的铜电极片2上端引出极耳5的结构可以解决接漏液的问题，并且降低装配密封风险。
本发明的实施例1：全钒液流电池复合端电极的制备方法包括以下步骤：
步骤一，裁切准备端电极组件，按照阴模内腔尺寸裁切绝缘板外框片的尺寸，按照绝缘外框片中空腔尺寸裁切铜电极片的尺寸、电极片的尺寸和碳毡的尺寸，按照阴模上极耳固定孔尺寸裁切铜电极片上端极耳的尺寸。阴模内腔的尺寸根据实际生产端电极的型号决定，电极片的厚度为1.0mm,绝缘板外框片厚度为1.0mm。
步骤二，端电极胚料热压成形，是在模具内部把电极片，绝缘板外框片和铜电极片通过叠加方式罗列好，然后通过平板模压机加热压使各层融合到一起，冷却取模，制取端电极胚料；
此步骤包括：(1)在阴模腔内叠放三层绝缘板外框，将三层电极片分别装配到三层绝缘板外框片的中空腔内；
(2)平放铜电极片于第三层装配电极片的绝缘板外框片上，极耳探出阴模上极耳固定孔，固定极耳；
(3)在铜电极片上继续叠放三层绝缘板外框，同时将三层电极片分别装配到三层绝缘板外框片的中空腔内；
(4)将阳模盖到经过上面步骤装配的阴模上，形成装有各层端电极片的模具，把模具放入平板模压机进行热压成形，热压成形中，热压温度为140℃，热压机施加压力为50kg/CM2，时间为200秒。
(5)然后进行冷却出模，冷却出模中，冷却温度为10℃，冷却压力为50kg/CM2，时间为200秒，冷却后去除模具，脱模制取复合端电极胚料。
步骤三，端电极胚料机加工，使用塑料雕刻机，将步骤二中制取的端电极胚料的极板面进行铣平加工，准备下一步碳毡焊接；
步骤四，焊接碳毡层，将步骤三中加工完成的端电极胚料的极板面与碳毡叠放，置于电阻焊接机中，然后加电流完成焊接碳毡，焊接完成制取复合端电极。焊接过程中，通过电阻焊接机的机械限位控制碳毡压缩量，所述碳毡压缩量为15％。
本发明的实施例2：全钒液流电池复合端电极的制备方法包括以下步骤：
步骤一，裁切准备端电极组件，按照阴模内腔尺寸裁切绝缘板外框片的尺寸，按照绝缘外框片中空腔尺寸裁切铜电极片的尺寸、电极片的尺寸和碳毡的尺寸，按照阴模上极耳固定孔尺寸裁切铜电极片上端极耳的尺寸。阴模内腔的尺寸根据实际生产端电极的型号决定,电极片的厚度为1.25mm,绝缘板外框的厚度为1.25mm。
步骤二，端电极胚料热压成形，是在模具内部把电极片，绝缘板外框片和铜电极片通过叠加方式罗列好，然后通过平板模压机加热压使各层融合到一起，冷却取模，制取端电极胚料；
此步骤包括：(1)在阴模腔内叠放三层绝缘板外框片，将三层电极片分别装配到三层绝缘板外框片的中空腔内；
(2)平放铜电极片于第三层装配电极片的绝缘板外框上，极耳探出阴模上极耳固定孔，固定极耳；
(3)在铜电极片上继续叠放三层绝缘板外框片，同时将三层电极片分别装配到三层绝缘板外框片的中空腔内；
(4)将阳模盖到经过上面步骤装配的阴模上，形成装有各层端电极片的模具，把模具放入平板模压机进行热压成形，热压成形中，热压温度为150℃，热压机施加压力为70kg/CM2，时间为250秒。
(5)然后进行冷却出模，冷却出模中，冷却温度为15℃，冷却压力为80kg/CM2，时间为250秒，冷却后去除模具，脱模制取复合端电极胚料。
步骤三，端电极胚料机加工，使用塑料雕刻机，将步骤二中制取的端电极胚料的极板面进行铣平加工，准备下一步碳毡焊接；
步骤四，焊接碳毡层，将步骤三中加工完成的端电极胚料的极板面与碳毡叠放，置于电阻焊接机中，然后加电流完成焊接碳毡，焊接完成制取复合端电极。焊接过程中，通过电阻焊接机的机械限位控制碳毡压缩量，所述碳毡压缩量为20％。
本发明的实施例3：全钒液流电池复合端电极的制备方法包括以下步骤：
步骤一，裁切准备端电极组件，按照阴模内腔尺寸裁切绝缘板外框片的尺寸，按照绝缘外框片中空腔尺寸裁切铜电极片的尺寸、电极片的尺寸和碳毡的尺寸，按照阴模上极耳固定孔尺寸裁切铜电极片上端极耳的尺寸。阴模内腔的尺寸根据实际生产端电极的型号决定,电极片的厚度为1.5mm,绝缘板外框的厚度为1.5mm。
步骤二，端电极胚料热压成形，是在模具内部把电极片，绝缘板外框片和铜电极片通过叠加方式罗列好，然后通过平板模压机加热压使各层融合到一起，冷却取模，制取端电极胚料；
此步骤包括：(1)在阴模腔内叠放三层绝缘板外框片，将三层电极片分别装配到三层绝缘板外框片的中空腔内；
(3)平放铜电极片于第三层装配电极片的绝缘板外框片上，极耳探出阴模上极耳固定孔，固定极耳；
(4)在铜电极片上继续叠放三层绝缘板外框片，同时将三层电极片分别装配到三层绝缘板外框片的中空腔内；
(4)将阳模盖到经过上面步骤装配的阴模上，形成装有各层端电极片的模具，把模具放入平板模压机进行热压成形，热压成形中，热压温度为170℃，热压机施加压力为100kg/CM2，时间为300秒。
(5)然后进行冷却出模，冷却出模中，冷却温度为20℃，冷却压力为100kg/CM2，时间为300秒，冷却后去除模具，脱模制取复合端电极胚料。
步骤三，端电极胚料机加工，使用塑料雕刻机，将步骤二中制取的端电极胚料的极板面进行铣平加工，准备下一步碳毡焊接；
步骤四，焊接碳毡层，将步骤三中加工完成的端电极胚料的极板面与碳毡叠放，置于电阻焊接机中，然后加电流完成焊接碳毡，焊接完成制取复合端电极。焊接过程中，通过电阻焊接机的机械限位控制碳毡压缩量，所述碳毡压缩量为30％。
本发明的工作原理：本发明全钒液流电池复合端电极，通过热压和焊接工艺制备一种将铜极板、电极板、碳毡整合成一体的复合端电极。通过平板模热压机热压内腔装配了端电极片的模具，将电极片1，铜电极片2和绝缘板外框片4热压融合到一起再通过电阻焊接机将碳毡3焊接到电极片的表面，获得复合端电极。此端电极由于铜电极片2和电极片1热压融合在一起以及铜电极片2与电极片1尺寸的相同，有效的降低了电极片1与铜电极片2之间的表面接触电阻，提高流电池的电压率。通过电阻焊接机将碳毡3焊接到电极片1的表面以及碳毡3的尺寸与电极片1的尺寸相同，也降低了碳毡3与电极片1的表面接触电阻，提高了流电池的电压效率。
Claims (9)
1.一种全钒液流电池复合端电极，其特征在于，包括碳毡(3)、电极片(1)、绝缘板外框片(4)和铜电极片(2)，所述绝缘板外框片(4)中间位置设置前后通透的中空腔(6)，所述电极片(1)融合于绝缘板外框片(4)的中空腔(6)内，按照电极片(1)、绝缘板外框片(4)、铜电极片(2)、绝缘板外框片(4)和电极片(1)的顺序叠加于模具内腔内，热压模具制取端电极胚料，所述碳毡(3)通过电阻焊接机焊接于端电极胚料上的电极片(1)表面上。
2.根据权利要求1所述的全钒液流电池复合端电极，其特征在于，所述电极片(1)为PE导电电极片，所述绝缘板外框片(4)为PE材料。
3.根据权利要求1所述的全钒液流电池复合端电极，其特征在于，所述铜电极片(2)顶端设置有极耳(5)，铜电极片(2)的表面均匀设置有孔洞。
4.根据权利要求1所述的全钒液流电池复合端电极，其特征在于，所述电极片(1)的厚度与绝缘板外框片(4)的厚度相同，电极片(1)的厚度为1.0～1.5mm，绝缘板外框片(4)的厚度为1.0～1.5mm。
5.如权利要求1～4任一项所述全钒液流电池复合端电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，裁切准备端电极组件，按照阴模内腔尺寸裁切绝缘板外框片的尺寸，按照绝缘外框片中空腔尺寸裁切铜电极片的尺寸、电极片的尺寸和碳毡的尺寸，按照阴模上极耳固定孔尺寸裁切铜电极片上端极耳的尺寸；
步骤二，端电极胚料热压成形，在模具内部把电极片、绝缘板外框片和铜电极片通过叠加方式罗列好，然后通过平板模压机加热压使各层融合到一起，冷却取模，制取端电极胚料；
步骤三，端电极胚料机加工，使用塑料雕刻机，将步骤二中制取的端电极胚料的极板面进行铣平加工，准备下一步碳毡焊接；
步骤四，焊接碳毡层，将步骤三中加工完成的端电极胚料的极板面与碳毡叠放，置于电阻焊接机中，然后加电流完成焊接碳毡，焊接完成制取复合端电极。
6.根据权利要求5所述全钒液流电池复合端电极的制备方法，其特征在于，所述步骤二中包括以下步骤：
(1)在阴模腔内叠放三层绝缘板外框片，将三层电极片分别装配到三层绝缘板外框片的中空腔内；
(2)平放铜电极片于第三层装配了电极片的绝缘板外框片上，极耳探出阴模上极耳固定孔，固定极耳；
(3)在铜电极片上继续叠放三层绝缘板外框片，同时将三层电极片分别装配到三层绝缘板片的中空腔内；
(4)将阳模盖到经过上面步骤装配的阴模上，形成装有各层端电极片的模具，把模具放入平板模压机进行热压成形；
(5)热压成形后，进行冷却出模，获得端电极胚料。
7.根据权利要求6所述全钒液流电池复合端电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述热压成形中，热压温度为140～170℃，热压机施加压力为50～100kg/CM2，时间为200～300秒。
8.根据权利要求6所述全钒液流电池复合端电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述冷却出模中，冷却温度为10～20℃，冷却压力为50～100kg/CM2，时间为200～300秒。
9.根据权利要求5所述全钒液流电池复合端电极的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，通过电阻焊接机的机械限位控制碳毡压缩量，所述碳毡压缩量为15～30％。
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Denomination of invention: A composite end electrode for all vanadium flow batteries and its preparation method Granted publication date: 20221209 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nanjing Jiangning branch Pledgor: Jiangsu HengAn Energy Storage Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980022116 |