CN111933963A - 一种钒电池拼接石墨双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钒电池拼接石墨双极板，包括导电板和非导电板，所述导电板覆盖电化学反应区，接触电化学反应区的电解液；所述非导电板覆盖电解液流道区，接触电解液流道区的电解液，所述导电板为导电石墨板，所述非导电板为非导电高分子材料板，所述导电板和非导电板通过热压熔接；所述非导电板为高分子树脂材料添加非导电材料制备而成。本发明将导电石墨板和非导电高分子材料板拼接形成一块拼接双极板，成本低，可减少电池内部漏电流，提高电池效率。

Description

一种钒电池拼接石墨双极板
技术领域
本发明涉及钒电池技术领域，具体涉及一种钒电池拼接石墨双极板。
背景技术
目前钒电池双极板材料以石墨双极板和导电塑料双极板为主。双极板兼具分隔正负极电解液的作用，反应区外的双极板接触电解液，会导致漏电流增大，电堆能量效率降低，甚至导致电堆内部短路。用导电双极板分隔非反应区的正负极电解液，增加了导电双极板的用量，从而增加了系统的材料成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种钒电池拼接石墨双极板，将导电石墨板和非导电高分子材料板拼接形成一块拼接双极板，成本低，可减少电池内部漏电流，提高电池效率。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种钒电池拼接石墨双极板，包括导电板和非导电板，所述导电板覆盖电化学反应区，接触电化学反应区的电解液；所述非导电板覆盖电解液流道区，接触电解液流道区的电解液，所述导电板为导电石墨板，所述非导电板为非导电高分子材料板，所述导电板和非导电板通过热压熔接；所述非导电板为高分子树脂材料添加非导电材料制备而成。
进一步地，所述导电石墨板由膨胀石墨和导电石墨粉经高压力压片机模压成型制得。
进一步地，所述膨胀石墨和导电石墨粉的比例为90:10 - 100:0。
进一步地，所述非导电板中的高分子树脂材料为热塑性材料，为聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯的一种。
进一步地，所述非导电板中的高分子树脂材料为热固性材料，为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂的一种。
进一步地，所述非导电板中的非导电材料为二氧化硅、二氧化钛、硼酸盐、硅酸盐、硫酸盐的一种或几种。
进一步地，所述非导电材料添加量为10 - 30%，粒径为1μm - 500μm。
进一步地，所述导电板包括方形板状结构和位于所述方形板状结构两端中间位置的突出条状结构；所述非导电板数量为4块，分别位于所述突出条状结构的上下表面，且其长度与所述突出条状结构相同；所述导电板和非导电板通过热压熔接，所述非导电板经热压后与所述方形板状结构的上下两端齐平，使得所述导电板和非导电板形成表面平整、熔接线平直的双极板。
进一步地，所述突出条状结构的表面设有均匀排列圆孔。
进一步地，所述导电板和非导电板的熔接线在电化学反应区和电解液流道区之间的过渡区域。
本发明的有益效果有：
1、本发明将导电石墨板和非导电高分子材料板拼接形成一块拼接双极板，电解液侧由一片完整的双极板进行密封，在后续工艺中简化工艺流程，减少组装困难，成本低，且可减少电池内部漏电流，提高电池效率。
2、本发明的导电板和非导电板的特殊结构设计，两者在热压熔接时熔接线比较平直，因此能精准控制导电板、非导电板及电解液的接触范围，非导电板接触流道内电解液，将导电板与流道内电解液隔离，且导电板的突出条状结构的厚度和长度（非导电板的厚度和长度）可根据电解液流道和电化学反应区变化设计，防止导电板接触流道内的电解液及非导电板接触反应区的电解液，因此在充放电过程中流道内的电解液不会直接与导电板接触，从而减少电池内部漏电流，提高电池效率。
3、本发明的突出条状结构的表面设有均匀排列圆孔，在高温和高压力作用下有助于非导电板和导电板连接成一体，提高非导电板和导电板间的熔接强度，提高使用寿命。
4、本发明的非导电板的配方组成中含有非导电材料，可以加快高分子树脂的结晶速度，降低模塑收缩率，保证拼接双极板的平整度。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的侧面截面示意图。
图2为本发明的工作示意图。
图3为本发明导电板的剖面示意图。
具体实施方式
一种钒电池拼接石墨双极板，包括导电板1和非导电板2，所述导电板1覆盖电化学反应区3，接触电化学反应区3的电解液；所述非导电板2覆盖电解液流道区4，接触电解液流道区4的电解液，所述导电板1为导电石墨板，所述非导电板2为非导电高分子材料板，所述导电板1和非导电板2通过热压熔接；所述导电石墨板由膨胀石墨和导电石墨粉经高压力压片机模压成型制得，所述膨胀石墨和导电石墨粉的比例为90:10 - 100:0；所述非导电板2为高分子树脂材料添加非导电材料制备而成，非导电材料添加量为10-30%，粒径为1μm -500μm。
所述导电板1包括方形板状结构11和位于所述方形板状结构11两端中间位置的突出条状结构12；所述非导电板2数量为4块，分别位于所述突出条状结构12的上下表面，且其长度与所述突出条状结构12相同；所述导电板1和非导电板2通过热压熔接，所述非导电板2经热压后与所述方形板状11结构的上下两端齐平，使得所述导电板1和非导电板2形成表面平整、熔接线5平直的双极板。所述导电板1和非导电板2的熔接线5在电化学反应区3和电解液流道区4之间的过渡区域。所述突出条状结构12的表面设有均匀排列圆孔6。
实施例1
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照90:10的比例放入模具中，施加30 MPa的压力，保压15 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为1 mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为1mm，突出条状结构12厚度均为0.4 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：聚丙烯PP 70%，二氧化硅30%。将以上原料称取后于高速混合机中高速混合均匀，在片材挤出成型机上制备出非导电板2，厚度为0.4 mm。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度140℃，施加压力1 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 s，取出冷却至室温。
实施例2
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照92:8的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为1.5 mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为2mm，突出条状结构12厚度均为0.8 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：聚乙烯PE 80%，二氧化钛20%。将以上原料称取后于高速混合机中高速混合均匀，在片材挤出成型机上制备出非导电板，厚度为0.8mm。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度130℃，施加压力1 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 s，取出冷却至室温。
实施例3
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照95:5的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为2.0 mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为3mm，突出条状结构12厚度均为1.2 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：环氧树脂70%，二氧化钛20%，硅酸盐10%。将以上原料称取后于密炼机中密炼10 min，取出后置于模具中预压成厚度为1.2 mm的板材即得到非导电板2。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度70℃，施加压力5 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 min，取出冷却至室温。
实施例4
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照96:4的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为3.0 mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为1.2mm，突出条状结构12厚度均为0.45 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：酚醛树脂90%，硼酸盐10%。将以上原料称取后于密炼机中密炼15 min，取出后置于模具中预压成厚度为0.45 mm的板材即得到非导电板2。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度80℃，施加压力8 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压20 min，取出冷却至室温。
实施例5
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照95:5的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为4.0 mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为3mm，突出条状结构12厚度均为1.2 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：聚酰胺70%，二氧化钛15%，硫酸盐15%。将以上原料称取后于高速混合机中高速混合均匀，在片材挤出成型机上制备出非导电板2，厚度为1.2 mm。。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度220℃，施加压力5 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 s，取出冷却至室温。
实施例6
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照100:0的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为5.0mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为1.5 mm，突出条状结构12厚度均为0.5 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：聚甲醛85%，二氧化钛15%。将以上原料称取后于高速混合机中高速混合均匀，在片材挤出成型机上制备出非导电板2，厚度为0.6 mm。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度170℃，施加压力5 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 s，取出冷却至室温。
实施例7
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照93:7的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为1.5 mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为1.8mm，突出条状结构12厚度均为0.5 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：不饱和聚酯树脂80%，硼酸盐20%。将以上原料称取后于密炼机中密炼15 min，取出后置于模具中预压成厚度为0.7 mm的板材即得到非导电板2。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度85℃，施加压力8 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 min，取出冷却至室温。
实施例8
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照94:6的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为2.5 mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为2.0mm，突出条状结构12厚度均为0.3 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：呋喃树脂80%，二氧化钛20%。将以上原料称取后于密炼机中密炼15 min，取出后置于模具中预压成厚度为0.9 mm的板材即得到非导电板2。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度85℃，施加压力6 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 min，取出冷却至室温。
实施例9
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照92:8的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为3.0mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为1.5mm，突出条状结构12厚度均为0.5 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：聚氯乙烯80%，二氧化硅20%。将以上原料称取后于高速混合机中高速混合均匀，在片材挤出成型机上制备出非导电板2，厚度为0.6 mm。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度180℃，施加压力5 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 s，取出冷却至室温。
实施例10
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照95:5的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为4.0mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为2.0mm，突出条状结构12厚度均为0.5 mm。
非导电板2的制备：非导电板2质量分数组分：聚酯75%，二氧化硅25%。将以上原料称取后于高速混合机中高速混合均匀，在片材挤出成型机上制备出非导电板2，厚度为0.8mm。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度170℃，施加压力5 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 s，取出冷却至室温。
对比例1
一种钒电池双极板，其制备过程如下：
导电板的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照90:10的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备成厚度1.5mm的导电板基材。
对比例2
一种钒电池拼接石墨双极板，其制备过程如下：
导电板1的制备：将膨胀石墨和导电石墨粉按照95:5的比例放入模具中，施加40 MPa的压力，保压10 min，制备导电板基材，将导电板基材放在雕刻机上，对导电板1的突出条状结构12加工打圆孔，直径大小为1.5 mm，圆孔均匀排列。导电板1的方形板状结构11厚度为1.5mm，突出条状结构12厚度均为0.5 mm。
非导电板2的制备：将聚乙烯树脂在片材挤出成型机上制备出非导电板2，厚度为0.6 mm。
拼接双极板的制备：在导电板1的突出条状结构12的上下表面各放置一块非导电板2，放入模具并放到热压机中，设置温度170℃，施加压力5 MPa，在导电板1和非导电板2重叠区域进行热压熔接，保温保压30 s，取出冷却至室温。
将对比例1和各实施例中的一体化电极作为电极组装成电堆进行测试，测试电流密度60mA/cm2，电池效率如下表：
表1：采用一体化电机组装的电堆的电池效率测试表
序号 库伦效率 % 电压效率% 能量效率%
对比例1 89.1 85.2 75.9
实施例1 94.5 84.6 79.9
实施例2 94.0 85.3 80.2
实施例3 94.2 85.6 80.6
实施例4 94.7 85.7 81.2
实施例5 94.4 85.9 81.1
实施例6 95.1 86.5 82.3
实施例7 94.2 85.1 80.2
实施例8 94.5 85.3 80.6
实施例9 94.4 85.6 80.8
实施例10 94.0 85.7 80.6
由此可见，本发明将导电石墨板和非导电高分子材料板拼接形成一块拼接双极板，电解液侧由一片完整的双极板进行密封，在后续工艺中简化工艺流程，减少组装困难，成本低，且可减少电池内部漏电流，提高电池效率的钒电池拼接双极板。通过导电板1和非导电板2的特殊结构设计，两者在热压熔接时熔接线比较平直，因此能精准控制导电板1、非导电板2及电解液的接触范围非导电板2接触流道内电解液，将导电板1与流道内电解液隔离，且导电板1的突出条状结构12的厚度和长度（非导电板2的厚度和长度）可根据电解液流道和电化学反应区变化设计，防止导电板1接触流道内的电解液及非导电板2接触反应区的电解液，因此在充放电过程中流道内的电解液不会直接与导电板1接触，从而减少电池内部漏电流，提高电池效率。
将对比例2和实施例的非导电板2进行收缩率测试，其性能数据如下：
表2 非导电板的收缩率测试数据表
序号 收缩率 %
对比例2 2.32
实施例1 0.53
实施例2 1.03
实施例3 0.10
实施例4 0.21
实施例5 0.41
实施例6 0.95
实施例7 0.15
实施例8 0.16
实施例9 0.98
实施例10 0.93
由此可见，本发明的导电板1的突出条状结构12的表面设有均匀排列圆孔6，在高温和高压力作用下有助于非导电板2和导电板1连接成一体，提高非导电板2和导电板1间的熔接强度，提高使用寿命。且由于非导电板2的配方组成中含有非导电材料，可以加快高分子树脂的结晶速度，降低模塑收缩率，保证拼接双极板的平整度。
上述说明是示例性的而非限制性的。通过上述说明本领域技术人员可以意识到本发明的许多种改变和变形，其也将落在本发明的实质和范围之内。

Claims (10)

1.一种钒电池拼接石墨双极板，包括导电板和非导电板，所述导电板覆盖电化学反应区，接触电化学反应区的电解液；所述非导电板覆盖电解液流道区，接触电解液流道区的电解液，其特征在于，所述导电板为导电石墨板，所述非导电板为非导电高分子材料板，所述导电板和非导电板通过热压熔接；所述非导电板为高分子树脂材料添加非导电材料制备而成。
2.根据权利要求1所述的钒电池拼接石墨双极板，其特征在于，所述导电石墨板由膨胀石墨和导电石墨粉经高压力压片机模压成型制得。
3.根据权利要求2所述的钒电池拼接石墨双极板，其特征在于，所述膨胀石墨和导电石墨粉的比例为90:10 - 100:0。
4.根据权利要求1所述的钒电池拼接石墨双极板，其特征在于，所述非导电板中的高分子树脂材料为热塑性材料，为聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯的一种。
5.根据权利要求1所述的钒电池拼接石墨双极板，其特征在于，所述非导电板中的高分子树脂材料为热固性材料，为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂的一种。
6.根据权利要求1所述的钒电池拼接石墨双极板，其特征在于，所述非导电板中的非导电材料为二氧化硅、二氧化钛、硼酸盐、硅酸盐、硫酸盐的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的钒电池拼接石墨双极板，其特征在于，所述非导电材料添加量为10 - 30%，粒径为1μm - 500μm。
8.根据权利要求1所述的钒电池拼接石墨双极板，其特征在于，所述导电板包括方形板状结构和位于所述方形板状结构两端中间位置的突出条状结构；所述非导电板数量为4块，分别位于所述突出条状结构的上下表面，且其长度与所述突出条状结构相同；所述导电板和非导电板通过热压熔接，所述非导电板经热压后与所述方形板状结构的上下两端齐平，使得所述导电板和非导电板形成表面平整、熔接线平直的双极板。
9.根据权利要求8所述的钒电池拼接石墨双极板，其特征在于，所述突出条状结构的表面设有均匀排列圆孔。
10.根据权利要求1所述的钒电池拼接石墨双极板，其特征在于，所述导电板和非导电板的熔接线在电化学反应区和电解液流道区之间的过渡区域。
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