CN112687906B - 一种多层复合的具有流道的双极板，其生产方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多层复合的具有流道的双极板，其生产方法及用途，所述多层复合的具有流道的双极板包括2‑100个堆叠设置的极板单元，所述极板单元包括碳纸和涂覆在碳纸一侧的碳塑复合层，所述多层复合的具有流道的双极板外壁为碳塑复合层；所述极板单元内设置有流道。本发明所述物料可以耐受各种无机酸腐蚀，且表面涂覆的有机材料及先裁剪后涂覆的方式，使其易于层叠热压，并易于加工电解液流道，电解液充放电循环数据表明其更能承受高电流密度运行，且柔性特征使其抗拉伸和弯折能力增强，解决了现有技术中液流电池双极板结构稳定性、抗弯折能力差，导电率和耐受高电流密度差的技术问题。

Description

一种多层复合的具有流道的双极板，其生产方法及用途
技术领域
本发明涉及电化学技术，尤其涉及一种多层复合的具有流道的双极板，其生产方法及用途。
背景技术
双极板作为钒电池电堆的重要部件和关键材料之一，其作用是充放电的集流体和正负极溶液的分离体，要求其具有较高的机械强度、较高的导电性、优异的耐腐蚀性，同时具有较低的成本以确保其工程化应用。
目前，研究较多的钒电池双极板包括：碳素类、耐蚀金属类和导电塑料类。耐蚀金属类成本昂贵，暂不能具备大规模应用的前景；碳素类双极板(如石墨、玻碳等)，在电堆运行过程中易被腐蚀，难以保证使用寿命；而导电塑料类双极板则是以高分子树脂(如PP，PE等)和导电填料(如导电炭黑等)为原料，以注塑或模压工艺成型，受到极大关注，其导电性好、耐腐蚀而且低成本，易于大规模生产，可满足工程化需要。
专利200710011336.8，公开了一种用于液流储能电池的增强柔性石墨双极板及其制备，其最外层为柔性石墨层，柔性石墨层是由蠕虫石墨压合而成，结合强度低，置于电极板外层非常容易起皮脱落，进入电池系统中，造成管路堵塞。该专利中双极板干法混料，粉末之间的密度和颗粒度差距较大，很难混合均匀，倾倒时粉尘大，而且又会再次分层；固体直接热压法，孔隙率高，结合强度差。
现有双极板制备方法一，使用碳粉与塑料粉经过密炼，形成均匀混合，再经过辊压，加工成平板，这种方法要求复合材料具有优异的高温流动性，对塑料含量要求高。该工艺存在的问题有：抗弯折能力低下，导电率低，导电率通常低于50s/cm，组装钒电池后，电池效率低于75％。
现有双极板制备方法二，使用碳粉与塑料粉经过冷压成型，再经过热压成型，获得高导电率的复合材料，但这种方法存在几个问题：(1)设备要求较高，为了提高导电率，要求很大的压制压力；(2)大量采用蠕虫石墨；(3)抗弯折能力较低；(4)电导率中等通常为100～200S/cm。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有液流储能电池双极板强度低，抗弯折能力差，导电率低的问题，提出一种多层复合的具有流道的双极板，该双极板具有结构稳定性佳、抗弯折能力佳、导电率高和耐受高电流密度的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多层复合的具有流道的双极板，包括2-100个堆叠设置的极板单元，所述极板单元包括碳纸和涂覆在碳纸一侧的碳塑复合层，所述多层复合的具有流道的双极板外壁为碳塑复合层；所述极板单元内设置有流道。
进一步地，所述极板单元厚度为0.01～2mm，优选为0.5-1.5mm；所述碳塑复合层厚度为0.01～1mm，优选为0.01～0.5mm。
进一步地，所述流道为设置在极板单元(碳纸和碳塑复合层)上的多个平行排列的矩形沟糟，其长宽深分别为0.01～0.5mm×0.01～0.3mm×0.01～0.2mm，优选的所述矩形沟糟长宽深分别为0.05～0.3mm×0.05～0.2mm×0.05～0.1mm。
进一步地，所述碳塑复合层包括重量配比如下的各组分：
塑料 1-10份；
碳材料粉末 50-90份。
进一步地，所述碳塑复合层包括重量配比如下的各组分：
塑料 2-8份；
碳材料粉末 60-80份。
进一步地，所述塑料为PP、PE、PU、PVDF、HDPE、PVC、PMMA、IIR、EPM、EPT、EPDM和CSM中的一种或多种的混合。
进一步地，所述碳材料粉末为导电碳黑、鳞片石墨、球型石墨、蠕虫石墨中的一种或多种的混合。碳材料粉末加入量与塑料加入量的比例为3:2～9:1。
本发明的另一个目的还公开了一种多层复合的具有流道的双极板的制备方法，该方法克服了现有液流储能电池双极板制备方法不合理，导致双极板结构不稳定的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多层复合的具有流道的双极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、极板单元的制备
先在碳纸上涂覆碳塑浆液，烘干脱除挥发性有机溶剂形成碳塑复合层，再将涂覆后的碳纸剪裁出流道缺口；
或者，先在碳纸剪裁出流道缺口，再在碳纸上涂覆碳塑浆液，烘干脱除挥发性有机溶剂形成碳塑复合层；
步骤2、极板单元的堆叠
将多层碳纸堆叠在一起，热压成型，获得多层复合的具有流道的双极板。
进一步地，所述碳塑浆液的制备方法：使用挥发性有机溶剂将塑料粉末溶解形成均匀的溶液，加入碳材料粉末，分散成均匀的碳塑浆液；有机溶剂的加入量与总固体的加入量之比为8:1～1:2，优选为5:1～1:1。
进一步地，所述挥发性有机溶剂为乙醇、汽油、DMA、NMP、DMAC和四氯化碳中的一种或多种的混合。
进一步地，步骤1挥发性有机溶剂经回收，用于碳塑浆液的制备。
进一步地，步骤2所述热压成型温度为100～200℃，热压力为1～10MPa，优选温度为130-180℃，优选的热压力为3～8MPa。
进一步地，步骤1所述剪裁出流道缺口的方法为：在碳纸表面，间隔相同距离，用带凸棱状热压平板压出同等长宽和深度的凹槽，形成流道极板。
本发明的另一个目的还公开了一种多层复合的具有流道的双极板在液流储能电池领域的用途。
本发明公开了一种适用于液流储能电池的多层复合的具有流道的双极板、其制备方法及用途，与现有技术相比较具有以下优点：
1)本发明多层复合的具有流道的双极板外层是碳塑复合涂层，碳塑复合涂层稳定性佳，抗拉强度高，导电性好，防渗透性好，不易起皮脱落；
2)本发明多层复合的具有流道的双极板具有优良的导电率，200～500S/cm，远高于普通的碳素双极板；
3)本发明多层石墨纸间隔碳塑涂层具有优异的韧性，抗弯折能力高；多层石墨纸间碳塑涂层具有很高的抗拉强度；多层石墨纸间隔碳塑涂层，具有优异的防透液能力；
4)使用普通石墨粉与碳素材料做为中间层，成本低于使用普通的碳素复合板；当使用高成本塑料时，本工艺具有明显优势，以较少的塑料实现高韧性，高封闭性，高导电率；碳纸具有较好的抗弯折能力，因此，该工艺制作出来的产品抗拉强度，抗弯折能力显著提高，同时，碳纸的存在显著提高了复合电极的导电率。
5)本发明多层复合的具有流道的双极板的制备方法靠溶剂溶解塑料，与碳材料机械搅拌混合，是湿法混合，由于具有较高的溶液粘度，不易分层，均匀性好，减少粉尘；本发明所述方法是靠浆液涂覆法，将石墨纸与涂层结合在一起，热压压力较小，只起到铺平碳纸的作用，主要是靠温度将多层碳纸上的涂层融化，将多层碳纸压合在一起；
6)本发明多层复合的具有流道的双极板与没有流道的双极板相比，可以有效的降低电解液的反应流动距离，降低无效的碳毡流动，提高电流密度，提高效率；
本发明与雕刻流道法和热压流道法相比，流道尺寸更精确，可以做成垂直角度的流道，雕刻法只能做大尺寸的孔道，而热压法只能做倒梯形的流道，导致双极板与碳毡的接触点电流密度急剧增大。
附图说明
图1为实施例1多层复合的具有流道的双极板的结构示意图；
图2为实施例2多层复合的具有流道的双极板的结构示意图。
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多层复合的具有流道的双极板如图1所示，包括10个堆叠设置的极板单元，所述极板单元包括碳纸和涂覆在碳纸一侧的碳塑复合层3(原板平面)，所述多层复合的具有流道的双极板外壁为碳塑复合层；所述极板单元内设置有流道4(凹液槽)。多层复合的具有流道的双极板上设置有电解液进口1、出口2，所述液进口1通过流道4出口2连通；
所述极板单元厚度为1mm；所述碳塑复合层厚度为0.05mm，所述流道为设置在碳塑复合层上的多个平行排列的矩形沟糟，其长宽深分别为0.05mm×0.02mm×0.02mm。
所述极板单元的碳塑复合层包括如表1所示的各组分：
表1
成分 含量(质量)/％
PVDF 30
石墨蠕虫 61
炭黑 3
其中，配料中溶剂为NMP(N-甲基吡咯烷酮)；溶剂质量与固体量比值为7:1；热压温度/时间/压力分别为：180℃，10min，10MPa；热压层数为2层，单层厚度为1mm，沟槽深度为0.15mm×0.15mm×0.15mm；碳纸(纯石墨压制，市售)厚度为0.2mm。
上述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、极板单元的制备
先在碳纸上涂覆碳塑浆液，烘干脱除挥发性有机溶剂形成碳塑复合层，再将涂覆后的碳纸剪裁出流道缺口；
或者，先在碳纸剪裁出流道缺口，再在碳纸上涂覆碳塑浆液，烘干脱除挥发性有机溶剂形成碳塑复合层；
所述碳塑浆液的制备方法：使用挥发性有机溶剂将塑料粉末溶解形成均匀的溶液，加入碳材料粉末，分散成均匀的碳塑浆液；有机溶剂的加入量与总固体的加入量之比为2:1。所述挥发性有机溶剂为乙醇、汽油、DMA、NMP、DMAC和四氯化碳中的一种或多种的混合。步骤1挥发性有机溶剂经回收，用于碳塑浆液的制备。
所述剪裁出流道缺口的方法为：在碳纸表面，间隔相同距离，用带凸棱状热压平板压出同等长宽和深度的凹槽，形成流道极板。
步骤2、极板单元的堆叠
将多层碳纸堆叠在一起，热压成型，获得多层复合的具有流道的双极板。
热压成型温度为150℃，热压力为5MPa。
多层复合的具有流道的双极板在安装成10kW电池测试后，其能量效率为82.2％，高出普通极板3个百分点，最高电流密度可达150mA/cm2，高于普通极板的110mA/cm2。
实施例2
本实施例公开了一种多层复合的具有流道的双极板如图2所示，包括20个堆叠设置的极板单元，所述极板单元包括碳纸和涂覆在碳纸一侧的碳塑复合层3(原板平面)，所述多层复合的具有流道的双极板外壁为碳塑复合层；所述极板单元内设置有流道4(凹液槽)。流道4通过电解液汇集的公共流道5与电解液进口1和出口2连通；
所述极板单元厚度为1.5mm；所述碳塑复合层厚度为0.5mm，所述流道为设置在碳塑复合层上的多个平行排列的矩形沟糟，其长宽深分别为0.05mm×0.02mm×0.1mm。
所述极板单元的碳塑复合层包括如表2所示的各组分：
表2
成分 含量(质量)/％
HDPE 40
石墨蠕虫 55
炭黑 2
其中，配料中溶剂为DMF(二甲基甲酰胺)；溶剂质量与固体量比值为5:1；热压温度/时间/压力分别为：220℃，25min，20MPa；热压层数为3层，单层厚度为3mm，沟槽深度为0.2mm×0.1mm×0.2mm；碳纸(纯石墨压制，市售)厚度为0.6mm。
上述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、极板单元的制备
先在碳纸上涂覆碳塑浆液，烘干脱除挥发性有机溶剂形成碳塑复合层，再将涂覆后的碳纸剪裁出流道缺口；
或者，先在碳纸剪裁出流道缺口，再在碳纸上涂覆碳塑浆液，烘干脱除挥发性有机溶剂形成碳塑复合层；
所述碳塑浆液的制备方法：使用挥发性有机溶剂将塑料粉末溶解形成均匀的溶液，加入碳材料粉末，分散成均匀的碳塑浆液；有机溶剂的加入量与总固体的加入量之比为4:1。所述挥发性有机溶剂为乙醇、汽油、DMA、NMP、DMAC和四氯化碳中的一种或多种的混合。步骤1挥发性有机溶剂经回收，用于碳塑浆液的制备。
所述剪裁出流道缺口的方法为：在碳纸表面，间隔相同距离，用带凸棱状热压平板压出同等长宽和深度的凹槽，形成流道极板。
步骤2、极板单元的堆叠
将多层碳纸堆叠在一起，热压成型，获得多层复合的具有流道的双极板。
热压成型温度为180℃，热压力为4MPa。
多层复合的具有流道的双极板在安装成5W电池测试后，其能量效率为88％，高出普通极板5个百分点，最高电流密度可达180mA/cm2，高于普通极板的120mA/cm2。
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 (8)

1.一种多层复合的具有流道的双极板的制备方法，其特征在于，包括2-100个堆叠设置的极板单元，所述极板单元包括碳纸和涂覆在碳纸一侧的碳塑复合层，所述多层复合的具有流道的双极板外壁为碳塑复合层；所述极板单元内设置有流道；
所述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、极板单元的制备
先在碳纸上涂覆碳塑浆液，烘干脱除挥发性有机溶剂形成碳塑复合层，再将涂覆后的碳纸剪裁出流道缺口；
或者，先在碳纸剪裁出流道缺口，再在碳纸上涂覆碳塑浆液，烘干脱除挥发性有机溶剂形成碳塑复合层；
步骤2、极板单元的堆叠
将多层碳纸堆叠在一起，热压成型，获得多层复合的具有流道的双极板。
2.根据权利要求1所述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，其特征在于，所述极板单元厚度为0.01~2mm；所述碳塑复合层厚度为 0.01~1mm。
3.根据权利要求1所述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，其特征在于，所述流道为设置在极板单元上的多个平行排列的矩形沟糟，其长宽深分别为0.01~0.5mm×0.01~0.3mm×0.01~0.2mm。
4.根据权利要求1所述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，其特征在于，所述碳塑复合层包括重量配比如下的各组分：
塑料1-10份；
碳材料粉末 50-90份。
5.根据权利要求4所述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，其特征在于，所述塑料为PP、PE、PU、PVDF、HDPE、PVC、PMMA、IIR、EPM、EPT、EPDM和CSM中的一种或多种的混合。
6.根据权利要求4所述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，其特征在于，所述碳材料粉末为导电碳黑、鳞片石墨、球型石墨、蠕虫石墨中的一种或多种的混合。
7.根据权利要求1所述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，其特征在于，所述碳塑浆液的制备方法为：使用挥发性有机溶剂将塑料粉末溶解形成均匀的溶液，加入碳材料粉末，分散成均匀的碳塑浆液；有机溶剂的加入量与总固体的加入量之比为8:1~1:2。
8.根据权利要求1所述多层复合的具有流道的双极板的制备方法，其特征在于，步骤2所述热压成型温度为100~200℃，热压力为1~10MPa。
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