CN110854401B - 一体化集流板、其制备方法与应用 - Google Patents

一体化集流板、其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种一体化集流板，由集流体基体与聚合物复合材料板组成，所述集流体基体设置于所述聚合物复合材料板内部，所述聚合物复合材料板由热塑性聚合物树脂与导电碳制备得到。本申请还提供了所述一体化集流板的制备方法。本申请还提供了一种钒液流电池。本申请以一体化集流板代替端双极板与集流板用于钒液流电池，可有效防止电解液的泄露与腐蚀，提高了机械强度，且可降低接触内阻，提高钒液流电池的电性能。

Description

一体化集流板、其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及钒液流电池技术领域，尤其涉及一体化集流板、其制备方法与应用。
背景技术
在钒液流电池电堆两端设置的两块金属电极板，一般称为集流板或者取电板。集流板的作用至关重要，它具有导通电堆内部和外部线路以及传导电流的作用。
集流板作为电极材料需要具备以下两个特点才能用于钒液流电池；1)较高的电导率，因此集流板一般采用金属电极，如铜板；2)耐腐蚀，电解液对金属的腐蚀是很强的，为了避免金属集流板与电解液的直接接触，中间往往隔了一层双极板，该层双极板阻隔电解液同时将电流传导给集流板。
现有技术中一般采用铜板作为集流板，该集流板导电优良，加工简单，但无法与强酸性的电解液直接接触，否则会被电解液腐蚀溶解。为了解决这个问题，集流板上覆盖一层双极板，双极板一般由碳材料或者碳复合材料组成，其具有一定的导电率与耐强酸性，用于与集流板相接触的双极板称作端双极板。端双极板阻隔电解液与集流板的接触，并将电流传导给集流板。
目前，在钒液流电池中都会采用端双极板与集流板配合，但是端双极板与集流板的配合使用存在以下几个问题：1)端双极板通过压力将电解液密封在电堆内部，如果密封不好或者端双极板有微孔，电解液泄漏会腐蚀集流板，即使是很小的泄露点也会造成集流板的大面积腐蚀，进而导致电池失效；2)端双极板的机械强度不足，受压和使用中极易破损，一旦破损电池将无法使用；3)端双极板和集流板是通过压力进行物理接触，此方式的接触电阻较大，会增大电池的损耗。因此，提供一种新型的用于钒液流电池的集流板具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种一体化集流板，本申请提供的一体化集流板可降低电解液的泄露和腐蚀，且降低了电阻，提高机械性能，有利于钒液流电池性能的提升。
有鉴于此，本申请提供了一种一体化集流板，由集流体基体与聚合物复合材料板组成，所述集流体基体设置于所述聚合物复合材料板内部，所述聚合物复合材料板由热塑性聚合物树脂与导电碳制备得到。
优选的，在所述一体化集流板的大横截面的垂直方向上，所述集流体基体距所述聚合物复合材料板的两个大横截面距离相同。
优选的，所述集流体基体为铜网，所述铜网的厚度为1～2mm，孔径为1～15mm。
优选的，所述一体化集流板的厚度为2～5mm。
优选的，所述热塑性聚合物树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯中的一种或多种，所述导电碳选自炭黑和石墨粉中的一种或两种；所述热塑性聚合物树脂与所述导电碳粉的质量比为3：(2～7)。
本申请还提供了一种一体化集流板的制备方法，包括以下步骤：
将热塑性聚合物树脂与导电碳粉混合后挤出、造粒，得到导电混合粒料；
将集流体基体与导电混合粒料热压，得到一体化集流板。
优选的，所述热塑性聚合物树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯中的一种或多种，所述导电碳粉选自炭黑和石墨粉中的一种或两种；所述热塑性聚合物树脂与所述导电碳粉的质量比为3：(2～7)。
优选的，所述热压的温度为150～300℃，压力为30～50Mpa，时间为15～50min。
优选的，得到导电混合粒料的过程具体为：
将热塑性聚合物树脂粉料与导电碳粉在混料机中混合，将得到的导电混合料投入双螺杆挤出机中挤出造粒，得到导电混合粒料。
本申请还提供了一种钒液流电池，所述钒液流电池电堆的两端仅设置有一体化集流板，所述一体化集流板为上述方案所述的一体化集流板或上述方案所述的制备方法所制备的一体化集流板。
本申请提供了一种一体化集流板，其由集流体基体和聚合物复合材料板组成，所述集流体基体设置于所述聚合物复合材料板内部，所述聚合物复合材料板由热塑性聚合物树脂与导电碳制备得到。由于集流体基体由聚合物复合材料板包裹，聚合物复合材料板的密封效果优异，同时聚合物复合材料板具有很强的抗腐蚀能力可以阻隔电解液对集流体基体的腐蚀，因此，一体化集流板对集流体基体保护更严密，大大降低了电解液泄露和腐蚀的风险；相应的，集流体基体是金属材质，机械性能较强，与聚合物复合材料形成一体化集流板以后，使得一体化集流板保持很高的强度，在电堆组装和使用中不易破损，使用寿命延长；进一步的，集流体基体设置于聚合物复合材料板内部，电流直接从内部导通，并且增大了接触面积，提供了更多的电流通路，由此降低了电阻，提高了钒液流电池的性能。
附图说明
图1为本发明一体化集流板的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
针对现有技术中双极板与集流板合用设置于钒液流电池两端存在的问题，本发明提供了一种一体化集流板，该集流板集合了集流体基体与聚合物复合材料板，且集流体基体设置于聚合物复合材料板的内部，由此有效防止了电解液泄露与腐蚀的问题，提高了机械强度，同时降低了集流板的电阻，提高了钒液流电池的性能。具体的，本发明实施例公开了一种用于钒液流电池的一体化集流板，其由集流体基体与聚合物复合材料板组成，所述集流体基体设置于所述聚合物复合材料板内部，所述聚合物复合材料板由热塑性聚合树脂与导电碳制备得到。
如图1所示，图1为本申请一体化集流板的结构示意图，由图可知，集流体基体设置于聚合物复合材料板内部，为了保证一体化集流板性能的一致性，所述集流体基体设置于所述聚合物复合材料板的中间，即在所述一体化集流板的大横截面的垂直方向上(图示箭头方向上)，所述集流体基体距所述聚合物复合材料板的两个大横截面距离相同。
在本申请中，所述集流体基体为本领域技术人员熟知的集流体，对此本申请没有特别的限制，在本申请的具体实施例中，所述集流体基体选择了铜网。所述集流体基体的厚度为1～2mm，孔径为1～15mm；在具体实施例中，所述集流体基体的孔径为5～10mm。本申请中所述集流体基体太薄则易变形，甚至折断；孔径过大，则集流体基体与包裹的聚合物复合材料板的接触面积减少，影响电流的传导能力，而孔径过小，则在加工一体化集流板的过程中带来难度，特别是聚合物复合材料填充入孔时，容易出现气孔等问题。所述一体化集流板的厚度为2～5mm，按照上述集流板基体的尺寸，则聚合物复合材料板的厚度为0.5～4mm，其厚度过大则一体化集流板的电阻增大，厚度过小则包裹性受影响，使电解液腐蚀集流体基体。
本申请还提供了所述一体化集流板的制备方法，其包括以下步骤：
将热塑性聚合物树脂与导电碳粉混合后挤出造粒，得到导电混合粒料；
将集流体基体与导电混合粒料热压，得到一体化集流板。
在制备一体化集流板的过程中，本申请首先制备了导电混合粒料，具体为：将热塑性聚合物树脂与导电碳粉混合，将得到的混合料挤出造粒，即得到导电混合粒料；所述热塑性聚合物树脂与导电碳粉的质量比是影响电阻值的重要因素，具体的，所述热塑性聚合物树脂与导电碳粉的质量比为3：(2～7)，在某些具体实施例中，所述热塑性聚合物树脂与所述导电碳粉的质量比为3：(4～6)；更具体的，所述热塑性聚合物树脂与所述导电碳粉的质量比可为45:55，可以为55:45，还可以为50:50；所述导电碳粉的含量小于上述范围，则导电碳材料不足，使一体化集流板整体电阻增加。所述热塑性聚合物树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯中的一种或多种，在具体实施例中，所述热塑性聚合物树脂选自聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯；所述碳粉选自炭黑和石墨粉中的一种或两种。
在热塑性聚合物树脂与导电碳粉混合后，则将得到的混合料造粒挤出，由此得到导电混合粒料，所述挤出为本领域技术人员熟知的技术方式，对其具体实施过程本申请没有进行特别的限制；在本申请中，所述挤出优选在双螺杆挤出机中挤出。所述造粒为本领域技术人员熟知的技术手段，对此本申请没有特别的限制。
按照本发明，在得到导电混合粒料之后，则将集流体基体与所述导电混合粒料进行热压，即得到一体化集流板。在此过程中，为了保证集流板基体两侧厚度和表面的一致性，则在热压之前集流体基体上部和下部是同等质量的导电混合粒料。所述热压的温度为150～300℃，所述热压的压力为30～50Mpa，所述热压的时间为15～50min；在具体实施例中，所述热压的温度为180～230℃，所述热压的压力为35～45Mpa，所述热压的时间为20～40min；上述热压过程中，需要保证导电混合粒料先处于熔化状态，以保证其能在热压过程中压入集流体基体的孔隙中。
本申请还提供了一种钒液流电池，其在电堆的两端仅设置有上述一体化集流板；即在本申请提供的一种钒液流电池中，在电堆的两端以一体化集流板替代了端双极板与金属集流板的体系。
本申请提供的一体化集流板由聚合物复合材料板包裹集流体基体而成，聚合物复合材料板的密封效果优异，有效防止电解液的泄露；同时聚合物复合材料板有很强的抗腐蚀能力可以阻隔电解液对集流体基体的腐蚀；内部的集流体基体提高了一体化集流板的机械强度，进一步提升了一体化集流板的使用寿命；从性能的角度上看，集流体基体置于聚合物复合材料板的内部，电流直接从内部导通，并且增大了接触面积，与现有技术中与集流体基体直接接触的双极板体系相比，降低了电阻，电池性能得到了提升。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一体化集流板、其制备方法与应用进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
将聚乙烯和炭黑按照45：55的质量比称取并投入到混料机里混料，得到聚合物和炭黑混合物粉料；将该混合物粉料投入到双螺杆挤出机中挤出造粒；
将厚度为1mm，孔径大小为5mm的铜网和上述得到的粒料置于模具中热压成型，模具温度为230℃，热压时间30分钟，合模压力为40MPa，冷却后打开模具得到一体化集流板，厚度2mm，电阻0.21mΩ。将该一体化集流板用于组装全钒液流电池，电压效率达到84％。
实施例2
将聚丙烯、炭黑、石墨按照45：45：10的质量比称取并投入到混料机里混料，得到聚合物和炭黑混合物粉料；将该混合物粉料投入到双螺杆挤出机中挤出造粒；
将厚度为1mm，孔径大小为5mm的铜网和上述得到的粒料置于模具中热压成型，模具温度为220℃，热压时间40分钟，合模压力为40MPa，冷却后打开模具得到一体化集流板，厚度2mm，电阻0.25mΩ。将该一体化集流板用于组装全钒液流电池，电压效率达到83％。
实施例3
将聚氯乙烯、炭黑按照55：45的质量比称取并投入到混料机里混料，得到聚合物和炭黑混合物粉料；将该混合物粉料投入到双螺杆挤出机中挤出造粒；
将厚度为1mm，孔径大小为5mm的铜网和上述得到的粒料置于模具中热压成型，模具温度为220℃，热压时间40分钟，合模压力为40MPa，冷却后打开模具得到一体化集流板，厚度2mm，电阻0.32mΩ。将该一体化集流板用于组装全钒液流电池，电压效率达到81％。
对比例1
将聚乙烯、炭黑按照70：30的质量比称取并投入到混料机里混料，得到聚合物和炭黑混合物粉料；将该混合物粉料投入到双螺杆挤出机中挤出造粒；
将厚度为1mm，孔径大小为5mm的铜网和上述得到的粒料置于模具中热压成型，模具温度为220℃，热压时间40分钟，合模压力为40MPa，冷却后打开模具得到一体化集流板，厚度2mm，电阻4.2mΩ,导电成分过少电阻很大。将该一体化集流板用于组装全钒液流电池，电压效率为73％。
对比例2
将聚乙烯、炭黑按照20：80的质量比称取并投入到混料机里混料，得到聚合物和炭黑混合物粉料；将该混合物粉料投入到双螺杆挤出机，由于树脂含量低，无法顺利造粒。
对比例3
将聚乙烯和炭黑按照45：55的质量比称取并投入到混料机里混料，得到聚合物和炭黑混合物粉料；将该混合物粉料投入到双螺杆挤出机中挤出造粒；
将厚度为1mm，孔径大小为20mm的铜网和上述得到的粒料置于模具中热压成型，模具温度为230℃，热压时间30分钟，合模压力为40MPa，冷却后打开模具得到一体化集流板，厚度2mm，电阻5.21mΩ，较大的电阻来自于过大的铜网孔径。将该一体化集流板用于组装全钒液流电池，电压效率仅为70％。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种一体化集流板，由集流体基体与聚合物复合材料板组成，所述集流体基体设置于所述聚合物复合材料板内部，所述聚合物复合材料板由热塑性聚合物树脂与导电碳制备得到；
所述集流体基体为铜网，所述铜网的厚度为1～2mm，孔径为1～5mm；所述一体化集流板的厚度为2～5mm，聚合物复合材料板的厚度为0.5～4mm；
所述热塑性聚合物树脂与所述导电碳的质量比为45:55、55:45或50:50；
所述热塑性聚合物树脂选自聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯，所述导电碳选自炭黑和石墨粉中的一种或两种；
所述一体化集流板的制备方法，包括以下步骤：
将热塑性聚合物树脂与导电碳粉混合后挤出、造粒，得到导电混合粒料；
将集流体基体与导电混合粒料热压，得到一体化集流板。
2.根据权利要求1所述的一体化集流板，其特征在于，在所述一体化集流板的大横截面的垂直方向上，所述集流体基体距所述聚合物复合材料板的两个大横截面距离相同。
3.根据权利要求1所述的一体化集流板，其特征在于，所述热塑性聚合物树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯中的一种或多种，所述导电碳粉选自炭黑和石墨粉中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的一体化集流板，其特征在于，所述热压的温度为150～300℃，压力为30～50Mpa，时间为15～50min。
5.根据权利要求1所述的一体化集流板，其特征在于，得到导电混合粒料的过程具体为：
将热塑性聚合物树脂粉料与导电碳粉在混料机中混合，将得到的导电混合料投入双螺杆挤出机中挤出造粒，得到导电混合粒料。
6.一种钒液流电池，其特征在于，所述钒液流电池电堆的两端仅设置有一体化集流板，所述一体化集流板为权利要求1～5任一项所述的一体化集流板。
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