CN110808385A - 应用于全钒液流电池的极板制备方法及极板及制备装置 - Google Patents

应用于全钒液流电池的极板制备方法及极板及制备装置 Download PDF

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贾东冉
孟琳
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Abstract

本发明公开了一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，包括如下步骤：步骤S01：混合第一粉体原料和混合助剂，得到预混原料；所述第一粉体原料包括炭黑粉体、石墨粉体和纳米碳管粉体，所述混合助剂为粉体硅烷偶联剂；步骤S02：混合预混原料和第二粉体原料，获得复合料；所述第二粉体原料包括HDPE粉体、PP粉体和SEBS粉体；步骤S03：将所述复合料导入下料装置，复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼，复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼，混炼温度为200℃～225℃；步骤S04：挤出混炼完成的复合料压延形成0.6mm的极板。还公开了一种极板及极板的制备装置。

Description

应用于全钒液流电池的极板制备方法及极板及制备装置
技术领域
本发明涉及一种应用于全钒液流电池的极板制备方法及极板及制备装置，属于电池生产技术领域。
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等，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源的发电、电动汽车等领域。
传统的全钒液流电池一般采用石墨压板片材作为自身的极板材料，现有技术中，石墨压板片材主要使用石墨毡加胶料辊压成型，或多层石墨纸用胶料粘结后热辊压成型的方式制成。制备过程中需要采用高温石墨炉，所需处理温度也高达2000℃，因而获取这种石墨压板片材需要采用高要求的处理设备及处理工艺，导致石墨压板片材生产成本高；而且石墨压板片材的韧性低，受外部应力影响容易出现碎裂或折断的现象；石墨极板自身还存在密封不良的问题，组装过程中容易出现涂层脱落的问题，而且在电池运行过程中也容易造成极板两侧串液现象。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，该制备方法简单，制备成本低，通过本发明制备方法制备出韧性高、不易受外部应力影响、组装过程中不存在涂层脱落的问题、运行过程中不会出现串液现象的极板。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，包括如下步骤：步骤S01：混合第一粉体原料和混合助剂，得到预混原料；所述第一粉体原料包括炭黑粉体、石墨粉体和纳米碳管粉体，所述混合助剂为粉体硅烷偶联剂；步骤S02：混合预混原料和第二粉体原料，获得复合料；所述第二粉体原料包括HDPE粉体、PP粉体和SEBS粉体；SEBS是以聚苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物；步骤S03：将所述复合料导入下料装置，复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼，复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼，混炼温度为200℃～225℃；步骤S04：挤出混炼完成的复合料压延形成0.6mm的极板。
前述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，所述步骤S01中混合第一粉体原料和混合助剂的混合时间为15min～25min。
前述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，所述步骤S01中混合第一粉体原料和混合助剂的混合时间为20min。
前述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，所述步骤S02中混合预混原料和第二粉体原料的混合时间为25min～35min。
前述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，所述步骤S02中混合预混原料和第二粉体原料的混合时间为30min。
前述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，所述步骤S03中，挤出机的加工螺杆转速为150～250rpm，下料装置的下料量为15～20kg/h。
前述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，所述步骤S04中，压延形成0.6mm的极板时的压延温度为85～95℃。
利用如前所述的一种方法制备的极板，所述极板的组分含有：碳黑粉体30％～45％、石墨粉体15％～25％、纳米碳管粉体0.5％～1.5％、HDPE粉体20％～30％、PP粉体15％～25％和SEBS粉体3％～6％、硅烷偶联剂0.5％～2％。
利用如前所述的一种方法制备的极板，所述极板的组分含有：碳黑粉体40％、石墨粉体20％、纳米碳管粉体1％、HDPE粉体25％、PP粉体20％和SEBS粉体5％、硅烷偶联剂1.2％。
一种极板的制备装置，包括下料装置，位于下料装置下方的挤出机的螺杆混炼段，与挤出机的螺杆混炼段连接的自动换网器，与自动换网器连接的稳料熔体泵，与稳料熔体泵连接的成型模头，所述成型模头与片材压延机组衔接，所述挤出机的螺杆混炼段与挤出机减速齿轮箱连接，所述挤出机减速齿轮箱与电机装置连接。
与现有技术相比，本发明极板制备方法通过分批将第一粉体原料、混合助剂和第二粉体原料混合的方式，获得用于制备极板的复合料，使用这种复合料制备而成的极板，韧性更强，气密性更强，极板表面均质光滑，不存在涂层脱落的问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限制。在附图中：
图1是本发明的一种实施例的流程图；
图2是本发明的制备装置的结构示意图。
附图标记：1-下料装置，2-成型模头，3-自动换网器，4-挤出机的螺杆混炼段，5-下料装置，6-电机装置，7-挤出机减速齿轮箱，8-稳料熔体泵。
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
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明的实施例1：一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，包括如下步骤：步骤S01：混合第一粉体原料和混合助剂，得到预混原料；其中，为保证所制备极板的电阻率，第一粉体原料包括炭黑粉体、石墨粉体和纳米碳管粉体，混合助剂采用粉体硅烷偶联剂；步骤S02：混合预混原料和第二粉体原料，获得复合料；其中第二粉体原料包括HDPE(高密度聚乙烯)粉体、PP(聚丙烯)粉体和SEBS(氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)粉体；步骤S03：将所述复合料导入下料装置，复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼；复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼，混炼温度为200℃；步骤S04：挤出混炼完成的复合料压延形成0.6mm的极板。步骤S01和步骤S02所使用设备为稳定转速＞200rpm的卧式旋桨式混料机。本例中采用的挤出机是科亚AK40型同向双螺杆挤出机。为提高所制备极板的韧性，在第二粉体原料中混有SEBS粉体，及PE粉体和PP粉体的合金材料。进一步的，步骤S01中混合第一粉体原料和混合助剂的混合时间为15min。进一步的，步骤S02中混合预混原料和第二粉体原料的混合时间为25min。进一步的，步骤S03中，挤出机的加工螺杆转速为150rpm，下料装置的下料量为15kg/h。进一步的，步骤S04中，压延形成0.6mm的极板时的压延温度为8℃。
对比使用本实施例1的方法所制备的极板与石墨极板的性能如下表1所示：
表1
Figure BDA0002261211790000031
Figure BDA0002261211790000041
通过表1可知，使用实施例1的方法所制备的极板组成的全钒液流电池的电压效率与石墨极板组成的电池的电压效率相当，但使用实施例3的方法所制备极板的断裂伸长率高于传统石墨极板的断裂伸长率，渗透性能也明显优于传统石墨极板的渗透性能。由此可知，本实施例3的方法所制备的极板相比传统石墨极板具有很好的韧性及气液阻隔性能。
本发明的实施例2：一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，包括如下步骤：
步骤S01：混合第一粉体原料和混合助剂，得到预混原料；其中第一粉体原料包括炭黑粉体、石墨粉体和纳米碳管粉体，混合助剂采用粉体硅烷偶联剂；步骤S02：混合预混原料和第二粉体原料，获得复合料；其中第二粉体原料包括HDPE粉体、PP粉体和SEBS粉体；步骤S03：将所述复合料导入下料装置，复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼；通过挤出机在混炼段进行混炼，混炼温度为225℃；步骤S04：挤出混炼完成的复合料压延形成0.6mm的极板。进一步的，步骤S01中混合第一粉体原料和混合助剂的混合时间为25min。进一步的，步骤S02中混合预混原料和第二粉体原料的混合时间为35min。进一步的，步骤S03中，挤出机的加工螺杆转速为250rpm，下料装置的下料量为20kg/h。进一步的，步骤S04中，压延形成0.6mm的极板时的压延温度为95℃。
对比使用本实施例2的方法所制备的极板与石墨极板的性能如下表2所示：
表2
Figure BDA0002261211790000042
通过表2可知，使用实施例2的方法所制备的极板组成的全钒液流电池的电压效率与石墨极板组成的电池的电压效率相当，但使用实施例2的方法所制备极板的断裂伸长率高于传统石墨极板的断裂伸长率，渗透性能也明显优于传统石墨极板的渗透性能。由此可知，本实施例2的方法所制备的极板相比传统石墨极板具有很好的韧性及气液阻隔性能。
本发明的实施例3：一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，包括如下步骤：
步骤S01：混合第一粉体原料和混合助剂，得到预混原料；其中第一粉体原料包括炭黑粉体、石墨粉体和纳米碳管粉体，混合助剂采用粉体硅烷偶联剂；步骤S02：混合预混原料和第二粉体原料，获得复合料；其中第二粉体原料包括HDPE粉体、PP粉体和SEBS粉体；步骤S03：将所述复合料导入下料装置，复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼；通过挤出机在混炼段进行混炼，混炼温度为205℃；步骤S04：挤出混炼完成的复合料压延形成0.6mm的极板。进一步的，步骤S01中混合第一粉体原料和混合助剂的混合时间为20min。进一步的，步骤S02中混合预混原料和第二粉体原料的混合时间为30min。进一步的，步骤S03中，挤出机的加工螺杆转速为200rpm，下料装置的下料量为18kg/h。进一步的，步骤S04中，压延形成0.6mm的极板时的压延温度为90℃。
对比使用本实施例3的方法所制备的极板与传统石墨极板的性能如下表3所示：
表3
Figure BDA0002261211790000051
通过表3可知，使用实施例3的方法所制备的极板组成的全钒液流电池的电压效率与石墨极板组成的电池的电压效率相当，但使用实施例3的方法所制备极板的断裂伸长率高于传统石墨极板的断裂伸长率，渗透性能也明显优于传统石墨极板的渗透性能。由此可知，本实施例3的方法所制备的极板相比传统石墨极板具有很好的韧性及气液阻隔性能。
本发明的实施例4：极板的组分含有：碳黑粉体30％、石墨粉体15％、纳米碳管粉体0.5％、HDPE粉体20％、PP粉体15％和SEBS粉体3％、硅烷偶联剂0.5％。
本发明的实施例5：极板的组分含有：碳黑粉体40％、石墨粉体20％、纳米碳管粉体1％、HDPE粉体25％、PP粉体20％和SEBS粉体5％、硅烷偶联剂1.2％。
本发明的实施例6：极板的组分含有：碳黑粉体45％、石墨粉体25％、纳米碳管粉体1.5％、HDPE粉体30％、PP粉体25％和SEBS粉体6％、硅烷偶联剂2％。
本发明的实施例7：一种实施例4～实施例6中所述极板的制备装置，包括下料装置5，位于下料装置5下方的挤出机的螺杆混炼段4，与挤出机的螺杆混炼段4连接的自动换网器3，与自动换网器3连接的稳料熔体泵8，与稳料熔体泵8连接的成型模头2，成型模头2与片材压延机组1衔接，所述挤出机的螺杆混炼段4与挤出机减速齿轮箱7连接，挤出机减速齿轮箱7与电机装置6连接，本例中下料装置5采用失重式计量下料器，以便于控制输送至挤出机中复合料的输送量，针对经混炼后复合料的高粘度特性，本例中的电机装置6采用定制100KW的大功率电机。本例中成型模头2为幅宽600mm的T型挤出模头。压延机组1采用的斜入式四辊压延设备。本发明的极板通过使用传统挤出工艺实现连续片材挤出，产品原料易得，大大降低了生产成本，进一步降低了全钒液流电池的价格，有效增加了全钒液流电池的市场价格竞争力。
本发明装置的工作原理：将混合后的复合料送入下料装置5中，通过下料装置5控制输送至挤出机的复合料的输送量为15～20kg/h，在挤出机的螺杆混炼段4复合料在混炼温度为200℃～225℃的温度下进行混炼，同时挤出机的加工螺杆转速为150～250rpm，混炼后的复合料通过成型模头2被挤出，并通过片材压延机组1压延成0.6mm的极板。

Claims (10)

1.一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S01：混合第一粉体原料和混合助剂，得到预混原料；所述第一粉体原料包括炭黑粉体、石墨粉体和纳米碳管粉体，所述混合助剂为粉体硅烷偶联剂；
步骤S02：混合预混原料和第二粉体原料，获得复合料；所述第二粉体原料包括HDPE粉体、PP粉体和SEBS粉体；
步骤S03：将所述复合料导入下料装置，复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼，复合料在挤出机的螺杆混炼段中进行混炼，混炼温度为200℃～225℃；
步骤S04：挤出混炼完成的复合料压延形成0.6mm的极板。
2.根据权利要求1所述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，其特征在于，所述步骤S01中混合第一粉体原料和混合助剂的混合时间为15min～25min。
3.根据权利要求2所述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，其特征在于，所述步骤S01中混合第一粉体原料和混合助剂的混合时间为20min。
4.根据权利要求3所述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，其特征在于，所述步骤S02中混合预混原料和第二粉体原料的混合时间为25min～35min。
5.根据权利要求4所述的一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，其特征在于，所述步骤S02中混合预混原料和第二粉体原料的混合时间为30min。
6.根据权利要求5所示一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，其特征在于，所述步骤S03中，挤出机的加工螺杆转速为150～250rpm，下料装置的下料量为15～20kg/h。
7.根据权利要求6所示一种应用于全钒液流电池的极板制备方法，其特征在于，所述步骤S04中，压延形成0.6mm的极板时的压延温度为85～95℃。
8.利用如权利要求1～8中任一权利要求所述方法制备的极板，其特征在于，所述极板的组分含有：碳黑粉体30％～45％、石墨粉体15％～25％、纳米碳管粉体0.5％～1.5％、HDPE粉体20％～30％、PP粉体15％～25％和SEBS粉体3％～6％、硅烷偶联剂0.5％～2％。
9.根据权利要求8所述的一种极板，其特征在于，所述极板的组分含有：碳黑粉体40％、石墨粉体20％、纳米碳管粉体1％、HDPE粉体25％、PP粉体20％和SEBS粉体5％、硅烷偶联剂1.2％。
10.一种如权利要求8或9所述极板的制备装置，其特征在于，包括下料装置(5)，位于下料装置(5)下方的挤出机的螺杆混炼段(4)，与挤出机的螺杆混炼段(4)连接的自动换网器(3)，与自动换网器(3)连接的稳料熔体泵(8)，与稳料熔体泵(8)连接的成型模头(2)，所述成型模头(2)与片材压延机组(1)衔接，所述挤出机的螺杆混炼段(4)与挤出机减速齿轮箱(7)连接，所述挤出机减速齿轮箱(7)与电机装置(6)连接。
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