CN111082069B - 一种植入式梯度复合电极、生产方法及其用途 - Google Patents

一种植入式梯度复合电极、生产方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种植入式梯度复合电极、生产方法及其用途，所述植入式梯度复合电极，包括基体层，过渡层和活性层；所述过渡层的碳含量大于基体层，所述活性层的碳含量大于过渡层；所述基体层为金属材料、碳材料或碳塑复合材料；所述过渡层为碳塑复合材料；所述活性层为碳材料或碳塑复合材料；所述碳塑复合材料是由碳材料与塑料原料混合而成的多孔材料，所述碳材料为碳毡、碳纤维、石墨烯中的一种或几种混合；所述塑料原料为PP、PE、PVDF和PTFE中的一种或几种混合。本发明植入式梯度复合电极是一种一体化梯度电极，能显著降低接触电阻，降低反应极化现象，改善电极导电率，提升能量效率。

Description

一种植入式梯度复合电极、生产方法及其用途
技术领域
本发明涉及电极技术，尤其涉及一种植入式梯度复合电极、生产方法及其用途。
背景技术
传统的钒电池电极是分体式电极，采用碳毡为电极，作为电化学反应的场所，电子经过碳毡传导至双极板，再流出电池，这种结构具有较高的接触电阻，导致电池效率很难提升。
发明内容
本发明的目的在于，针对传统钒电池分体电极接触电阻高，电池效率难提升的问题，提出一种植入式梯度复合电极，该电极是一种一体化梯度电极，能显著降低接触电阻，降低反应极化现象，改善电极导电率，提升能量效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种植入式梯度复合电极，包括基体层，过渡层和活性层；所述过渡层的碳含量大于基体层，所述活性层的碳含量大于过渡层；
所述基体层为金属材料、碳材料或碳塑复合材料；所述过渡层为碳塑复合材料；所述活性层为碳材料或碳塑复合材料；
所述碳塑复合材料是由碳材料与塑料原料混合而成的多孔材料，所述碳材料为碳毡、碳纤维、石墨烯中的一种或几种混合；所述塑料原料为PP、PE、PVDF和PTFE中的一种或几种混合。
进一步地，所述基体层厚度为0.1～5mm，优选为0.1～2mm；所述过渡层厚度为0.1～2mm，优选为0.1～1mm；所述活性层厚度为0.1～5mm，优选为0.1～0.5。
进一步地，所述金属材料包括但不限于铜、铝、钢、铁；所述碳材料为天然石墨、人造石墨、导电碳、活性炭、石墨烯、纳米碳管、碳毡中的一种或几种混合。
进一步地，所述基体层的碳塑复合材料中塑料原料与碳材料的质量比为1:1～1:10，优选为1:1～1:5。所述过渡层的碳塑复合材料中塑料原料与碳材料的质量比为1:2～1:5，优选为1:2～1:4。所述活性层中碳塑复合材料中塑料原料与碳材料的质量比为1:2～1:3，优选为1:2～1:25。
进一步地，所述基体层自远离过渡层的一侧向临近过渡层的一侧，碳含量逐渐增加。可通过3D打印或逐层叠加等方法制备而成。
进一步地，所述过渡层自临近基体层的一侧向临近活性层的一侧，碳含量逐渐增加。可通过3D打印或逐层叠加等方法制备而成。
进一步地，所述活性层自临近过渡层的一侧向远离过渡层的一侧，碳含量逐渐增加。可通过3D打印或逐层叠加等方法制备而成。
进一步地，所述塑料原料的粒度为50目～1000目，优选为100-500目；所述碳材料粒度为100目～1000目，优选为200-800目。
本发明的另一个目的还公开了一种植入式梯度复合电极的生产方法，包括以下步骤：
步骤1、所述基体层的制备；
步骤2、所述过渡层的制备，采用固体粉末混合或溶剂混合制备过渡层浆料，将过渡层浆料均匀的涂覆在基体层表面；
步骤3、植入式梯度复合电极合成，将活性层材料置于过渡层背离基体层的一侧，成型获得植入式梯度复合电极。
进一步地，当基体层为碳塑复合材料时，按照配比将粉体材料混合均匀，成型，所述成型为热压成型，挤压成型或者涂覆成型。
进一步地，所述基体层经打磨粗糙化处理。
进一步地，步骤2溶剂混合时，采用的溶剂包括：丙酮，甲苯，DMF，二甲苯，NMP，氯仿、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙烯、三氯丙烷和二氯乙烷中的一种或多种。
进一步地，所述成型为热压成型，所述热压成型条件为5～50Kg压力，热压温度为120～250摄氏度，保温保压10～200min；优选的所述热压成型条件为5～50Kg压力，热压温度为120～250摄氏度，保温保压10～200min。
本发明的另一个目的还公开了一种植入式梯度复合电极在全钒液流电池、锌溴电池、燃料电池中的用途，用作反应场所的电子传输。
本发明植入式梯度复合电极、生产方法及其用途，与现有技术相比较具有以下优点：
1)本发明基体层具有一定的支撑强度和导电性，过渡层具有封闭液体及将活性层与基体层牢固结合在一起的作用，活性层具有很好的化学活性及液体渗透性。总体来说，材料在电极中的成分含量是呈梯度的，由基体层到过渡层碳含量逐渐增加，由过渡层到活性层，碳含量逐渐增加。
2)本发明植入式梯度复合电极降低了原有的接触电阻，提供更高的能量效率，本电极不同于以往电极与极板之间的两种导体之间的电子传递，而是将电极与极板通过塑料材质连成一体，成为碳素复合电极，避免了两种导体之间的接触引起的电阻；
3)更好的耐盐酸腐蚀的特性，由于本发明广泛采用更耐腐蚀的PTFE及PVDF等塑料材质，其抗腐蚀性较PE等材质大大加强；
4)本发明植入式梯度复合电极具有更好的韧性，抗弯折能力更突出；
5)本发明植入式梯度复合电极的基体层采用金属板时，成本更低，导电率更出色。
综上，本发明植入式梯度复合电极包括基体层，过渡层和活性层，所述基体层为整个电极提供强度、并具有导电性；所述过渡层具有液体封闭性和导电性，能够将活性层与基体层结合到一起；活性层具有很好的化学活性及液体渗透性。
附图说明
图1为植入式梯度复合电极的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种植入式梯度复合电极，如图1所示包括基体层1，过渡层2和活性层3；所述过渡层的碳含量大于基体层，所述活性层的碳含量大于过渡层。所述基体层为碳塑复合材料；所述过渡层为碳塑复合材料；所述活性层为碳材料。
所述植入式梯度复合电极的生产方法，包括以下步骤：
步骤1、基体层制备
将PP(300目)与石墨(300目)粉体按照重量比例PP:石墨＝1:2混合均匀，165摄氏度，10Kg压力，保温保压30min热压成型，获得2mm的基体层；
步骤2、过渡层制备
将PP(300目)与石墨(300目)粉体按照重量比例PE:PP:石墨＝1:2:5混合均匀，按照混合粉末:NMP＝3:7(质量比)的比例搅拌调成浆料，均匀的涂覆在打磨粗糙化的基体层表面，涂层厚度1mm；
步骤3、复合电极合成
将碳纤维(～2.5mm)放在过渡层的表面，使过渡层与碳毡充分浸润，干燥固化，获得复合电极。
表1性能检测
Figure BDA0002328324060000041
耐腐蚀性采用经充放电>500cycle后的电极进行透气性试验，方法为电池的一侧通入氢气，一侧不通气体，电池中间以电极隔开正负极气体，经历1小时时间后测试另一极氢气浓度。检测结果如表1所示。
对照例
利用挤出工艺，将石墨和PP(或PE材质)混合，经过充分混匀后进入挤出机挤压成型的单层双极板。
实施例2
本实施例公开了一种植入式梯度复合电极，包括基体层，过渡层和活性层；所述过渡层的碳含量大于基体层，所述活性层的碳含量大于过渡层。所述基体层为碳塑复合材料；所述过渡层为碳塑复合材料；所述活性层为碳材料。
所述植入式梯度复合电极的生产方法，包括以下步骤：
步骤1、基体层制备
将PP(400目)与石墨(400目)粉体按照重量比例PE:PP:导电碳＝1:1:3混合均匀，放入模具中，厚度1.5mm
步骤2、过渡层制备
将PP(400目)与石墨(400目)粉体按照重量比例：PE:PP:石墨＝3:1:6混合均匀，均匀的刮涂在基板层的表面，厚度0.2mm
步骤3、复合电极合成
将厚度～3mm的碳毡放在过渡层的表面，按顺序将基板、过渡层、碳毡一同放入热压机中，采用20Kg压力、温度150摄氏度，热压成型45min。
表2性能检测
Figure BDA0002328324060000051
耐腐蚀性采用经充放电>500cycle后的电极进行透气性试验，方法为电池的一侧通入氢气，一侧不通气体，电池中间以电极隔开正负极气体，经历1小时时间后测试另一极氢气浓度。检测结果如表2所示。
实施例3
本实施例公开了一种植入式梯度复合电极，包括基体层，过渡层和活性层；所述过渡层的碳含量大于基体层，所述活性层的碳含量大于过渡层。所述基体层为碳塑复合材料；所述过渡层为碳塑复合材料；所述活性层为碳材料。
所述植入式梯度复合电极的生产方法，包括以下步骤：
步骤1、基体层制备
将PP(400目)与石墨(600目)粉体按照重量比例PVDF:石墨＝2:3混合均匀，热压成型；
步骤2、过渡层制备
将PP(400目)与石墨(600目)粉体按照重量比例：PVDF:石墨:DMF＝1:1:8搅拌分散混合均匀，均匀的刮涂在基板层的表面，厚度0.5mm
步骤3、复合电极合成
将厚度5mm的碳毡放在过渡层的表面，然后将基板、过渡层、碳毡一同放入热压机中，热压参数为10Kg压力、180摄氏度，热压成型。
表3性能检测
Figure BDA0002328324060000061
耐腐蚀性采用经充放电>500cycle后的电极进行透气性试验，方法为电池的一侧通入氢气，一侧不通气体，电池中间以电极隔开正负极气体，经历1小时时间后测试另一极氢气浓度。检测结果如表3所示。
实施例4
本实施例公开了一种植入式梯度复合电极，包括基体层，过渡层和活性层；所述过渡层的碳含量大于基体层，所述活性层的碳含量大于过渡层。所述基体层为碳塑复合材料；所述过渡层为碳塑复合材料；所述活性层为碳材料。
所述植入式梯度复合电极的生产方法，包括以下步骤：
步骤1、基体层制备
将2mm碳毡浸入PVDF/石墨粉/NMP的溶剂中，烘干，以30kg压力，200摄氏度，热压20min，获得基板；
步骤2、过渡层制备
将粉体按照质量比例PVDF(300目)与石墨(800目)：PVDF:石墨:DMF＝1.1:0.9:8搅拌分散混合均匀，均匀的刮涂在基板层的表面，厚度0.5mm
步骤3、复合电极合成
将厚度3mm的碳毡放在过渡层的表面，将电极三个部分放入热压机中，热压参数为15Kg压力、190摄氏度，热压成型。
表4性能检测
Figure BDA0002328324060000062
Figure BDA0002328324060000071
耐腐蚀性采用经充放电>500cycle后的电极进行透气性试验，方法为电池的一侧通入氢气，一侧不通气体，电池中间以电极隔开正负极气体，经历1小时时间后测试另一极氢气浓度。检测结果如表4所示。
实施例5
本实施例公开了一种植入式梯度复合电极，包括基体层，过渡层和活性层；所述过渡层的碳含量大于基体层，所述活性层的碳含量大于过渡层。所述基体层为金属材料；所述过渡层为碳塑复合材料；所述活性层为碳材料。
所述植入式梯度复合电极的生产方法，包括以下步骤：
步骤1、基体层制备
以2mm铜板作为基板，表面打磨粗糙化；
步骤2、过渡层制备
将粉体按照质量比例：(PVDF：500目)与石墨(800目)PVDF:石墨:NMP＝1.2:0.8:3搅拌分散混合均匀，均匀的刮涂在基板层的所有表面，干燥后厚度2mm。
步骤3、复合电极合成
将厚度3mm的碳毡放在过渡层的表面，再将其放在铜板表面，将电极整体放入热压机中，热压参数为10Kg压力、180摄氏度，热压成型。
表5性能检测
Figure BDA0002328324060000072
耐腐蚀性采用经充放电>500cycle后的电极进行透气性试验，方法为电池的一侧通入氢气，一侧不通气体，电池中间以电极隔开正负极气体，经历1小时时间后测试另一极氢气浓度。检测结果如表5所示。
实施例6
本实施例公开了一种植入式梯度复合电极，包括基体层，过渡层和活性层；所述过渡层的碳含量大于基体层，所述活性层的碳含量大于过渡层。所述基体层为金属材料；所述过渡层为碳材料；所述活性层为碳塑复合材料。
所述植入式梯度复合电极的生产方法，包括以下步骤：
步骤1、基体层制备
以2mm铝板作为基板，表面打磨粗糙化；
步骤2、过渡层制备
将粉体按照质量比例：(PVDF：500目)与石墨(800目)PVDF:石墨:DMF＝1.2:0.8:3搅拌分散混合均匀，均匀的刮涂在基板层的所有表面，干燥后厚度2mm。
步骤3、复合电极合成
将厚度1mm的碳塑复合放在过渡层的表面，再将其放在铜板表面，将电极整体放入热压机中，热压参数为300Kg压力、230摄氏度，热压成型。
表6性能检测
Figure BDA0002328324060000081
耐腐蚀性采用经充放电>500cycle后的电极进行透气性试验，方法为电池的一侧通入氢气，一侧不通气体，电池中间以电极隔开正负极气体，经历1小时时间后测试另一极氢气浓度。检测结果如表6所示。
实施例7
将实施例1-6所制备的电极应用于全钒液流电池中。
所述液流电池为液流电池中一种，即正负极电解液由离子膜隔开，正负极电解液分别为价态相同或不同的金属离子，金属离子正负极可以为同种离子。正负极单侧分别由离子膜、电极(所述上述)、端板(加固)及密封垫组成。性能检测结果如表7所示。
表7性能检测
Figure BDA0002328324060000091
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种植入式梯度复合电极，其特征在于，用于全钒液流电池中，植入式梯度复合电极包括基体层，过渡层和活性层；所述过渡层的碳含量大于基体层，所述活性层的碳含量大于过渡层；
所述基体层为金属材料或碳塑复合材料；所述过渡层为碳塑复合材料；所述活性层为碳材料或碳塑复合材料；
所述碳塑复合材料是由碳材料与塑料原料混合而成的多孔材料，所述碳材料为碳毡、碳纤维、石墨烯中的一种或几种混合；所述塑料原料为PP、PE、PVDF和PTFE中的一种或几种混合；
所述基体层厚度为0.1~5mm；所述过渡层厚度为0.1~2mm；所述活性层厚度为0.1~5mm；
所述基体层的碳塑复合材料中塑料原料与碳材料的质量比为1:1~1:10；所述过渡层的碳塑复合材料中塑料原料与碳材料的质量比为1:2~1:5，不包括1:2；所述活性层中碳塑复合材料中塑料原料与碳材料的质量比为1:2~1:3。
2.根据权利要求1所述植入式梯度复合电极，其特征在于，所述碳塑复合材料中的碳材料为天然石墨、人造石墨、导电碳、活性炭、石墨烯、纳米碳管、碳毡中的一种或几种混合。
3.根据权利要求1所述植入式梯度复合电极，其特征在于，所述塑料原料的粒度为50目~1000目，所述碳材料粒度为100目~1000目。
4.一种权利要求1-3任意一项所述植入式梯度复合电极的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基体层的制备；
步骤2、过渡层的制备，采用固体粉末混合或溶剂混合制备过渡层浆料，将过渡层浆料均匀的涂覆在基体层表面；
步骤3、植入式梯度复合电极合成，将活性层材料置于过渡层背离基体层的一侧，成型获得植入式梯度复合电极。
5.根据权利要求4所述植入式梯度复合电极的生产方法，其特征在于，所述基体层经打磨粗糙化处理。
6.根据权利要求4所述植入式梯度复合电极的生产方法，其特征在于，步骤2溶剂混合时，采用的溶剂包括：丙酮，甲苯，DMF，二甲苯，NMP，氯仿、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙烯、三氯丙烷和二氯乙烷中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述植入式梯度复合电极的生产方法，其特征在于，所述成型为热压成型，所述热压成型条件为5~50Kg压力，热压温度为120~250摄氏度，保温保压10~200min。
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