CN112952136A - 一种一体化双极板电极框及包含其的钒液流电池 - Google Patents
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Abstract
一种一体化带双极板的电极框及包含其的全钒液流电池，通过将双极板和电极框通过激光焊接制成一体化，减少了一半数量的密封元件的使用，可降低一半的密封成本，还可以提高电堆装配效率。该一体化带双极板的电极框的双极板由三层组成，中间的主体层是由高密度聚乙烯、碳纳米管、偶联剂以及润滑剂组成的碳塑复合板，上下表面与电极接触区域(即电极框中间区域)为高导电涂层。可以在保证焊接强度的同时降低电极与双极板的接触电阻，有助于电池功率密度的提高。
Description
技术领域
本发明涉及化学储能技术中的液流储能电池领域，特别涉及全钒液流储能电池。
背景技术
全钒液流储能电池因其具有输出功率和容量相互独立，系统设计灵活；能量效率高，寿命长，运行稳定性和可靠性高，自放电低；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低，安全性高等优点，在规模储能方面具有广阔的发展前景，被认为是解决太阳能、风能等可再生能源发电系统随机性和间歇性非稳态特征的有效方法，在可再生能源发电和智能电网建设中有着重大需求。
目前，全钒液流电池单电池的结构如图1所示，通常包括电池端板、集流体、双极板、密封垫、电极框、电极和隔膜，1节电池就需要四个密封垫来保持密封，带来了密封成本较高的问题。而且，密封垫的柔性使得装配时需要小心地使其与电极框对齐，装配工序繁琐，生产效率低。此外，密封垫的厚度通常在0.8mm以上，造成电极厚度太厚，带来电池内阻较大的问题，影响了电池功率密度的提高。
发明内容
针对现有技术中存在的密封元件过多的问题，本发明提出并开发出一种一体化带双极板的电极框及包含其的全钒液流电池，通过这种一体化元件的使用，可以提高密封可靠性并减少一半数量的密封元件的使用，降低一半的密封成本，还可以提高电堆装配效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下,
开发一种一体化带双极板的电极框，其由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠后通过激光焊接制成,或由二个中部通孔的电极框和处于二个电极框之间的一个双极板层叠后通过激光焊接制成；双极板的电导率不低于6S/cm，由三层组成，中间的主体层是由高密度聚乙烯、碳纳米管、偶联剂以及润滑剂组成的碳塑复合板，中间的主体层上下表面与电极接触区域(即电极框中部通孔区域)分别设有高导电涂层；中间的主体层厚度为0.3-1mm，上下表面的高导电涂层厚度为1-1000μm，优选10-100μm，由导电碳粉和粘结剂的混合物组成。
所述电极框的材质为高密度聚乙烯，中间的主体层采用的也为高密度聚乙烯，二者为相同材料，可以保证焊接强度。所述导电碳粉为石墨粉、膨胀石墨粉、碳黑、碳纤维粉末、石墨烯；所述粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。碳粉和粘结剂的质量比为7/1～100/1，优选9/1～20/1。
所述高密度聚乙烯为挤出级高密度聚乙烯，熔融指数为0.05-10，优选0.05-2。
所述碳纳米管为多壁碳纳米管，直径为10-100nm，长度为5-100μm，纯度98％-99.9％，比表面积为100-250m2/g，其用量为中间的主体层质量的15-30％。
所述偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷、缩水甘油迷氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、巯丙基三甲(乙)氧基硅烷、乙二胺丙基三乙氧基硅烷、乙二胺丙基甲基二甲氧基硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆酸酯、硼酸酯中的一种或二种以上，其用量为中间的主体层质量的0.5-2％％。
所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、硬酯酸钙、硬酯酸锌、石蜡、乙烯基双硬脂酰胺中的一种或二种以上，其用量为中间的主体层质量的0.5-2％。
一种全钒液流电池，包括电池端板、集流体、一体化带双极板的电极框、密封垫、电极、隔膜。
所述全钒液流电池通过依次叠合电池端板、集流体、由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框、密封垫、电极、隔膜、电极、密封垫、由一个双极板和二个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框、密封垫、电极、隔膜、电极、密封垫、由一个双极板和二个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框、……密封垫、电极、隔膜、电极、密封垫、由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框、集流体、电池端板组装而成。
所述集流体为铜板，厚度为0.8-2mm。
所述密封垫为氟橡胶、硅橡胶和三元乙丙橡胶，厚度为0.5-1mm。
所述电极为碳毡或石墨毡。
所述隔膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜和多孔膜，厚度为25～200μm。
本发明具有如下优点：
(1)采用本发明的一体化带双极板的电极框，与现有技术相比，可以省去双极板与电极框之间的密封垫，减少一半数量的密封元件的使用，可降低一半的密封成本，并能够提高密封可靠性，防止电解液渗漏。
(2)采用本发明的一体化带双极板的电极框，由于省去了密封垫，可以降低电极的厚度，进而减小全钒液流电池的欧姆内阻，提高其能量效率。而且，与现有技术相比，全钒液流电池的体积和重量都能够有效降低。
(3)采用本发明的全钒液流电池，由于一体化带双极板的电极框的使用，减少了装配工件的数量，简化了装配工艺，提高了电堆组装效率。
附图说明
图1是现有技术中全钒液流电池的结构示意图，
其中：1电池端板；2集流体；3双极板；4电极框；5密封垫；6电极；7隔膜；
图2是本发明全钒液流电池的结构示意图，
其中：1电池端板；2集流体；3一体化带双极板的电极框；4电极；5密封垫；6隔膜；
图3是本发明的一体化带双极板的电极框示意图；
图4是本发明的一体化带双极板的电极框示意图；
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图详述本发明。
如图2所示，本发明的全钒液流电池包括电池端板1、集流体2、由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框3、电极4、密封垫5、隔膜6和由一个双极板和两个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框7，所述由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠的一体化双极板电极框3如图3所示，由一个双极板31和一个电极框32通过激光焊接制成，用于全钒液流电池电堆的两端，连接集流体和电极，所述由一个双极板和两个中部通孔的电极框层叠的一体化双极板电极框7如图4所示，由两个电极框32和夹在他们中间的一个双极板31通过激光焊接制成，用于电堆内部，连接正负电极。
所述双极板体电导率为10S/cm，由三层组成，中间的主体层是由高密度聚乙烯、碳纳米管、偶联剂以及润滑剂组成的碳塑复合板，上下表面与正负电极接触区域(即电极框中间区域)为高导电涂层。通过如下步骤制成：
1)分别称取高密度聚乙烯(熔融指数为2)0.65kg，碳纳米管0.2kg，导电碳黑0.15kg，聚乙烯蜡10g，硬酯酸钙10g，其中，碳纳米管直径为20-30nm，长度为15-50μm，纯度99％，比表面积为160m2/g。将上述材料混合后加入到密炼机中，密炼温度为220℃，转子转速为50r/min，密炼时间20分钟。然后将混合均匀的密炼料经粉碎机粉碎后送入单螺杆挤出机中，挤出机料筒温度为230℃，主机转速为8rpm，口模温度为200℃，挤出片材并压延成型制得0.9mm厚碳塑复合板。
2)称取90g石墨粉和10gPVDF，加入1LNMP中，搅拌混合均匀，用150μm的刮刀将其刮涂在碳塑复合板表面，然后干燥除去NMP；继而将其放入模具中，热压成型。热压温度为200℃，热压压力为20MPa，热压时间为5min。
本发明的全钒液流电池，如图2所示，通过依次叠合电池端板1、集流体2、由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠的一体化双极板电极框3、密封垫5、电极4、隔膜6、电极4、密封垫5、由一个双极板和两个中部通孔的电极框层叠的一体化双极板电极框7、密封垫5、电极4、隔膜6、电极4、密封垫5、由一个双极板和两个中部通孔的电极框层叠的一体化双极板电极框7、……密封垫5、电极4、隔膜6、电极4、密封垫5、由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠的一体化双极板电极框3、集流体2、电池端板1组装而成。其中，
集流体为铜板，厚度为1mm。
密封垫为氟橡胶，厚度为0.8mm。
电极为碳毡，厚度为5mm，组装成电池时，电极材料的压深比为1.2。
隔膜为阳离子交换膜，厚度为125μm。
Claims (10)
1.一种一体化带双极板的电极框，其特征在于：所述一体化带双极板的电极框由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠后通过激光焊接制成,或由二个中部通孔的电极框和处于二个电极框之间的一个双极板层叠后通过激光焊接制成；
双极板的电导率不低于6S/cm，由二层或三层组成，一侧或中间的主体层(双极板层)是由高密度聚乙烯、碳纳米管、偶联剂以及润滑剂组成的碳塑复合板，主体层上下表面和与电极接触区域(即电极框中部通孔区域)分别设有高导电涂层；主体层厚度为0.3-1mm，上下表面的高导电涂层厚度为1-1000μm，优选10-100μm，由导电碳粉和粘结剂的混合物组成。
2.根据权利要求1所述一体化带双极板的电极框，其特征在于：所述电极框的材质为高密度聚乙烯，主体层采用的也为高密度聚乙烯；优选的，为挤出级高密度聚乙烯，熔融指数为0.05-10，优选0.05-2。
3.根据权利要求1所述一体化带双极板的电极框，其特征在于：所述导电碳粉为石墨粉、膨胀石墨粉、碳黑、碳纤维粉末、石墨烯中的一种或二种以上；所述粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一种或二种；碳粉和粘结剂的质量比为7/1～100/1，优选9/1～20/1。
4.根据权利要求1所述一体化带双极板的电极框，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管，直径为10-100nm，长度为5-100μm，纯度98％-99.9％，比表面积为100-250m2/g，其用量为主体层质量的15-30％。
5.根据权利要求1所述一体化双极板电极框，其特征在于：所述偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷、缩水甘油迷氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、巯丙基三甲(乙)氧基硅烷、乙二胺丙基三乙氧基硅烷、乙二胺丙基甲基二甲氧基硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆酸酯、硼酸酯中的一种或二种以上，其用量为主体层质量的0.5-2％％。
6.根据权利要求1所述一体化双极板电极框，其特征在于：所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、硬酯酸钙、硬酯酸锌、石蜡、乙烯基双硬脂酰胺中的一种或二种以上，其用量为主体层质量的0.5-2％。
7.一种全钒液流电池，其特征在于：所述全钒液流电池包括电池端板、集流体、一体化带双极板的电极框、密封垫、电极、隔膜。
8.根据权利要求7所述全钒液流电池，其特征在于：所述全钒液流电池通过依次叠合电池端板、集流体、由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框、密封垫、电极、隔膜、电极、密封垫、由一个双极板和二个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框、密封垫、电极、隔膜、电极、密封垫、由一个双极板和二个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框、……密封垫、电极、隔膜、电极、密封垫、由一个双极板和一个中部通孔的电极框层叠的一体化带双极板的电极框、集流体、电池端板组装而成。
9.根据权利要求7所述全钒液流电池，其特征在于：所述集流体为铜板，厚度为0.8-2mm；
所述密封垫为氟橡胶、硅橡胶或三元乙丙橡胶，厚度为0.5-1mm；
所述电极为碳毡或石墨毡。
10.根据权利要求7所述全钒液流电池，其特征在于：所述隔膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜和多孔膜，厚度为25～200μm。
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