CN112159634A - 碳粉导电胶、利用碳粉导电胶制备的液流电池电极及电堆 - Google Patents

碳粉导电胶、利用碳粉导电胶制备的液流电池电极及电堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳粉导电胶、利用碳粉导电胶制备的液流电池电极及电堆，碳粉导电胶包括石墨+炭黑+PVDF混合物、NMP，其中石墨+炭黑+PVDF混合物、NMP的质量比为9～11：9～11。液流电池电极包括质子交换膜、双极板、塑料框板、碳毡；双极板的一侧涂敷碳粉导电胶并烘干，另一侧涂敷碳粉导电胶，并将碳毡放置在碳粉导电胶上，然后烘干；双极板放置在塑料框板一侧的凹槽内，双极板上的碳毡朝向远离塑料框板的方向；塑料框板另一侧的凹槽内放置质子交换膜，质子交换膜与双极板之间设有另一个碳毡。本发明的导电胶电阻率小于0.1欧姆·厘米；本发明的液流电池电极实现了塑料框板、双极板、碳毡和质子交换膜的一体化，有利于简化后续的装配工序。

Description

碳粉导电胶、利用碳粉导电胶制备的液流电池电极及电堆
技术领域
本发明涉及一种碳粉导电胶、利用碳粉导电胶制备的液流电池电极及电堆。
背景技术
钒电池(VRB)又称全钒氧化还原液流电池，是一种绿色环保的大容量储能装置，其特有的电化学原理使其不同于传统的蓄电池，并具有耐大电流充放电，容量易于调整，可深度放电，电解液重复使用，安全性好，寿命长等诸多优点，不会造成环境污染，不仅可与太阳能、风能系统集成，还可用作电站调峰系统、边远地区贮能系统、应急电源系统和电动车能源等优点，因此在大规模储能领域具有广阔的前景。
目前的液流电池电堆主要由双极板、碳毡和质子交换膜3种功能材料，再加上塑料框板(流体通道和壳体)组成。双极板起电子通道、以及隔绝开正极电解液和负极电解液的2个作用。目前的双极板制造方法，主要有两大类，其一是高密度石墨板，含碳量接近100％，其二是导电塑料双极板，含碳量约在40％～95％之间，主要是碳粉、石墨粉和有机高分子材料共混后制造成薄片材料。两种双极板各有优缺点，高密度纯石墨板，电阻小，强度高，但脆性导致易碎裂，不能制造得太薄(大于1mm)；导电塑料双极板韧性好，厚度可以控制在0.1mm～1mm，但是电阻大(电阻率是纯石墨板的约10倍)，碳含量越低，韧性越好，但是电阻越大。
电堆的结构一般是将双极板、碳毡用物理方式紧压在一起，形成电池。鉴于液流电池的正极电解液和负极电解液在碳毡上的反应活性不一致，负极的反应活性略强，如果正极碳毡的电阻略小于负极碳毡的电阻，对于电池的反应平衡是有利的。将负极碳毡与双极板靠物理压紧，正极碳毡与双极板一体化粘接，那么负极碳毡存在接触电阻，电阻略大于正极碳毡，有利于电池正负极反应的平衡。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电阻率小于0.1欧姆·厘米，能够达到高密度石墨板的水平，且韧性等机械性能好，有利于电池装配的碳粉导电胶。
本发明的另一个目的在于提供一种利用碳粉导电胶制备液流电池电极的方法，以及一种含有该液流电池电极的液流电池电堆。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种碳粉导电胶，包括石墨+炭黑+PVDF 混合物、NMP，其中石墨+炭黑+PVDF混合物、NMP的质量比为9～11：9～11；
所述石墨+炭黑+PVDF混合物中，石墨+炭黑、PVDF的质量比为80～90：10～20；
所述石墨与炭黑的质量比为85～95：5～15。
本发明的另一个目的在于提供一种液流电池电极，包括质子交换膜、多个塑料扣板、双极板、塑料框板、两个碳毡；
所述双极板上设有多个筛孔，双极板的一个侧面涂敷碳粉导电胶并烘干；双极板的另一个侧面涂敷碳粉导电胶，并将碳毡放置在碳粉导电胶上，然后烘干；碳毡的尺寸小于双极板的尺寸；
所述塑料框板内框两个侧面均设有凹槽，双极板放置在塑料框板一侧的凹槽内，其边缘通过塑料扣板焊接在塑料框板上，双极板上的碳毡朝向远离塑料框板的方向；
塑料框板另一侧的凹槽内放置质子交换膜，质子交换膜的边缘通过塑料扣板焊接在塑料框板上；
所述质子交换膜与双极板之间设有另一个碳毡。
进一步地，所述塑料框板的表面刻有用于电解液流通的流道。
本发明的第三个目的在于提供一种液流电池电堆，从上到下依次包括第一金属压板、第一塑料端板、第一集流板、第一双极板、第一碳毡、质子交换膜、多个液流电池电极、第二碳毡、第二双极板、第二集流板、第二塑料端板、第二金属压板；
所述液流电池电极具有质子交换膜的一侧朝下；第一塑料端板和第二塑料端板的一端设有用于向电堆内部流入电解液的管口。
本发明的有益效果是：
1、本发明的导电胶能的电阻率小于0.1欧姆·厘米，能够达到高密度石墨板的水平，且韧性等机械性能好，有利于电池装配；
2、本发明的液流电池电极实现了塑料框板、双极板、碳毡和质子交换膜的一体化，形成一个完整的部件，有利于简化后续的装配工序；
3、本发明的液流电池，正极碳毡和负极碳毡与双极板的结合方式不同，正极为粘接，负极为物理压紧，负极存在接触电阻，负极的电阻略大，有利于电池反应的平衡。
附图说明
图1为本发明的一种液流电池电极结构示意图；
图2为本发明的双极板结构示意图；
图3为本发明的液流电池电极的主视图；
图4为本发明的液流电池电堆的结构示意图；
1-第一金属压板，2-第一塑料端板，3-第一集流板，4-第一双极板，5-第一碳毡，6-质子交换膜，7-液流电池电极，8-第二碳毡，9-第二双极板，10-第二集流板，11-第二塑料端板，12-第二金属压板，13-管口，14-螺杆，15-螺母，16-垫片，17-压缩弹簧。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
一种碳粉导电胶，包括石墨+炭黑+PVDF混合物、NMP，其中石墨+炭黑+PVDF混合物、NMP的质量比为9～11：9～11；
所述石墨+炭黑+PVDF混合物中，石墨+炭黑、PVDF的质量比为80～90：10～20；
所述石墨与炭黑的质量比为85～95：5～15。
如图1所示，本发明的液流电池电极，包括质子交换膜71、多个塑料扣板(72、75)、双极板73、塑料框板74、两个碳毡(76、77)；
所述双极板73上设有多个筛孔，如图2所示，双极板73的一个侧面涂敷碳粉导电胶并烘干；双极板73的另一个侧面涂敷碳粉导电胶，并将碳毡76放置在碳粉导电胶上，然后烘干；碳毡76的尺寸小于双极板73的尺寸；
所述塑料框板74内框两个侧面均设有凹槽，双极板73放置在塑料框板一侧的凹槽内，其边缘通过塑料扣板75焊接在塑料框板74上，双极板上的碳毡朝向远离塑料框板的方向；
塑料框板74另一侧的凹槽内放置质子交换膜71，质子交换膜71的边缘通过塑料扣板 72焊接在塑料框板74上；
所述质子交换膜71与双极板73之间设有另一个碳毡77。
进一步地，所述塑料框板74的表面刻有用于电解液流通的流道，如图3所示。
如图4所示，本发明的一种液流电池电堆，从上到下依次包括第一金属压板1、第一塑料端板2、第一集流板3、第一双极板4、第一碳毡5、质子交换膜6、多个液流电池电极7、第二碳毡8、第二双极板9、第二集流板10、第二塑料端板11、第二金属压板12；
所述液流电池电极7具有质子交换膜的一侧朝下；第一塑料端板2和第二塑料端板11 的一端设有用于向电堆内部流入电解液的管口13。
所述第二塑料端板11和第二金属压板12的两端分别固定在两个螺杆14的一端，第一金属压板1和第一塑料端板2分别通过螺母15固定在两个螺杆14的另一端，螺母15与螺杆14之间设有垫片16和压缩弹簧17，通过压缩弹簧17和垫片16，能够更好的固定螺母与螺杆；第一集流板3和第二集流板10的一端伸出螺杆14之外。也可以采用其他方式对本申请的电池电堆两端进行固定。
本发明的液流电池电堆中，上部为正极，下部为负极，正极碳毡和负极碳毡与双极板的结合方式不同，正极碳毡与双极板之间通过碳粉导电胶粘接，负极直接通过物理压紧；因此，负极存在接触电阻，负极的电阻略大与正极，有利于电池反应的平衡。
集流板可以采用常用的铜集流板。
实施例1
采购300x500x5mm规格碳毡80片，320x520x0.5mm规格柔性石墨板41片，如图3所示在柔性石墨板上冲孔。按照如下配比制作导电胶，导电胶中，(石墨+炭黑+PVDF)： NMP＝11：9；其中，(石墨+炭黑)：PVDF＝80：20；石墨：炭黑＝85：15(在后续的烘干过程中，PVDF和NMP会部分或者完全挥发)。将配置好的25克导电胶均匀刮涂在冲孔的柔性石墨板一侧，在150度电热板上热处理，固化；冷却后翻面，将石墨板未涂胶的一面朝上，将25克导电胶均匀刮涂在柔性石墨板的另一面上；将一块300x500x5mm规格碳毡居中放置在涂胶的石墨板上面，在150度电热板上热处理，固化。一共制作39片粘接了碳毡的双极板。将双极板焊接在塑料框板上。在双极板的另一面，将39块碳毡自然放置在塑料框板中，将裁剪好的质子交换膜焊接在塑料框板并通过塑料扣板固定，形成液流电池电极，如此，制作出39块液流电池电极。然后按照图4所示的顺序，将剩余的2块柔性石墨板、 2块碳毡、39块液流电池电极、以及其它部件材料进行堆叠，压紧，拧紧螺母，获得电堆，图4上部为正极，下部为负极。在测试台架上，灌装电解液，测试电池性能，电堆额定功率14千瓦，电压效率84％，库伦效率97％。
实施例2
采购300x500x5mm规格碳毡80片；采购320x520x0.5mm规格柔性石墨板41片，如图2所示进行冲孔作为本实施例的双极板。按照如下配比制作导电胶：(石墨+炭黑+PVDF)：NMP＝911：其中，石墨+炭黑)：PVDF＝90：10；石墨：炭黑＝95：5。将25克导电胶均匀刮涂在冲孔的柔性石墨板一面，在150度电热板上热处理，固化，冷却后翻面，将石墨板未涂胶的一面朝上，将25克导电胶均匀刮涂在石墨板上面，将一块300x500x5mm规格碳毡，居中放置在涂胶的石墨板上面，在150度电热板上热处理，固化。制作39片粘接了碳毡的双极板，并将双极板焊接在塑料框板上。在双极板的另一面，将碳毡自然放置在塑料框板中，将裁剪好的质子交换膜焊接在塑料框板和塑料扣板上，形成液流电池电极，如此，制作出39块液流电池电极。如图4所示顺序，将剩余的2块柔性石墨板、2块碳毡、39块液流电池电极、以及其它部件材料进行堆叠，压紧，拧紧螺母，获得电堆，图4上部为正极，下部为负极。在测试台架上，灌装电解液，测试电池性能，电堆额定功率13千瓦，电压效率83％，库伦效率96％。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种碳粉导电胶，其特征在于，包括石墨+炭黑+PVDF混合物、NMP，其中石墨+炭黑+PVDF混合物、NMP的质量比为9～11：9～11；
所述石墨+炭黑+PVDF混合物中，石墨+炭黑、PVDF的质量比为80～90：10～20；
所述石墨与炭黑的质量比为85～95：5～15。
2.一种液流电池电极，其特征在于，包括质子交换膜(71)、多个塑料扣板(72、75)、双极板(73)、塑料框板(74)、两个碳毡(76、77)；
所述双极板(73)上设有多个筛孔，双极板(73)的一个侧面涂敷碳粉导电胶并烘干；双极板(73)的另一个侧面涂敷碳粉导电胶，并将碳毡(76)放置在碳粉导电胶上，然后烘干；碳毡(76)的尺寸小于双极板(73)的尺寸；
所述塑料框板(74)内框两个侧面均设有凹槽，双极板(73)放置在塑料框板一侧的凹槽内，其边缘通过塑料扣板(75)焊接在塑料框板(74)上，双极板上的碳毡朝向远离塑料框板的方向；
塑料框板(74)另一侧的凹槽内放置质子交换膜(71)，质子交换膜(71)的边缘通过塑料扣板(72)焊接在塑料框板(74)上；
所述质子交换膜(71)与双极板(73)之间设有另一个碳毡(77)。
3.根据权利要求2所述的一种液流电池电极，其特征在于，所述塑料框板(74)的表面刻有用于电解液流通的流道。
4.一种液流电池电堆，其特征在于，从上到下依次包括第一金属压板(1)、第一塑料端板(2)、第一集流板(3)、第一双极板(4)、第一碳毡(5)、质子交换膜(6)、多个液流电池电极(7)、第二碳毡(8)、第二双极板(9)、第二集流板(10)、第二塑料端板(11)、第二金属压板(12)；
所述液流电池电极(7)具有质子交换膜的一侧朝下；第一塑料端板(2)和第二塑料端板(11)的一端设有用于向电堆内部流入电解液的管口(13)。
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