CN117096370B - 一种新型液流电池端电极及其装配的液流电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于液流电池技术领域，具体涉及一种新型液流电池端电极及其装配的液流电池，该新型液流电池端电极包括流道框板，所述流道框板的一端开设有凹槽，所述流道框板的内部设置有第一反应区，且所述凹槽与第一反应区贯通，所述第一反应区的内部从远离凹槽的一端到靠近凹槽的一端依次装配有电极板、铜集流组件、石墨毡和背压板，所述电极板和铜集流组件、铜集流组件和石墨毡以及石墨毡和背压板之间均紧密贴合，且所述凹槽和铜集流组件相适配。本发明能够提高液流电池的密封性能和经济性优势，同时，柔性石墨纸和具备高导电性的石墨毡，不仅能够进一步降低液流电池端电极的电阻，还能够提高液流电池的电压效率。
Description
技术领域
本发明属于液流电池技术领域，具体涉及一种新型液流电池端电极及其装配的液流电池。
背景技术
液流电池是一种低成本、高效率、环境友好型的储能电池，具有能量密度高、电流效率高、装置简单易操纵、使用寿命长、成本低廉等优点。目前主流的液流电池主要有全钒液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池等。液流储能电池主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源存储、电动汽车等领域。液流电池主要由正极电解液存储单元、负极电解液存储单元、内置端电极和隔膜的电池主体、多个输送泵以及输送管路组成，在进行放电时，正极电解液存储单元以及负极电解液存储单元中的电解液通过多个输送泵循环流动至电池主体中产生电化学反应，产生电流并对外传导。
实际商业化开发中，液流电池内部的端电极主要存在两种结构形式：一体化复合端电极和极板压接铜板式端电极，其中，一体化复合端电极主要通过热熔型树脂进行模压而成，导电材质包裹铜板极耳，然后再通过共注塑或者模压形式复合外部流道框，由于其结构使用材质需具备二次成型能力，故其产品主要使用导电塑料制得，产品的电阻率相对较高，提高了电池内阻，同时，制成原料消耗大，生产设备及工时成本高；而极板压接铜板式端电极，其主要采用导电塑料基板背部贴合铜板作为极耳，但是，该结构的端电极在使用时，存在以下问题：
1.该结构情况下，如选择导电塑料极板，其可以实现与边框的熔接，从而实现密封，但其电阻相对较高，在与铜板物理贴合时会有很大的接触电阻，这将导致电池内阻的上升；
2.该结构情况下，如选择柔性石墨极板，其电阻率低，物理贴合情况下可以达到较低电阻，但是柔性石墨双极板本身不具备焊接性能，这就造成与边框之间的密封困难，容易产生泄漏；
3.铜板极耳与电极板之间通过物理贴合，这就要求接触平面之间不能有任何缝隙，因为一旦出现变形缝隙，就会大大提高电阻，很多液流电池就出现于此。
基于上述问题，本申请文件提出了一种新型液流电池端电极及其装配的液流电池以改善上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型液流电池端电极，能够提高液流电池的密封性能和经济性优势，同时，柔性石墨纸和具备高导电性的石墨毡，不仅能够进一步降低液流电池端电极的电阻，还能够提高液流电池的电压效率。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种新型液流电池端电极，一种新型液流电池端电极，其特征在于：包括流道框板，所述流道框板的一端开设有凹槽，所述流道框板的内部设置有第一反应区，且所述凹槽与第一反应区贯通，所述第一反应区的内部从远离凹槽的一端到靠近凹槽的一端依次装配有电极板、铜集流组件、石墨毡和背压板，所述电极板和铜集流组件、铜集流组件和石墨毡以及石墨毡和背压板之间均紧密贴合，且所述凹槽和铜集流组件相适配；
其中，使得所述背压板远离电极板的一端在压力装置的作用下与流道框板远离电极板的一端位于同一平面，且通过调节电极板或/和铜集流组件或/和背压板的厚度，能够控制石墨毡的压缩量。
在一种优选方案中，所述流道框板远离凹槽的一端且位于第一反应区的四周开设有第一焊接区，所述电极板的内部设置有第二反应区，所述第二反应区的四周环绕开设有第二焊接区，所述流道框板和电极板通过第一焊接区和第二焊接区焊接连接。
在一种优选方案中，所述电极板的两端且位于第二反应区的内部均设置有柔性石墨纸，所述电极板的电阻范围为80～200Ω·cm。
在一种优选方案中，所述柔性石墨纸的厚度范围为100～300μm，所述石墨纸的纯度大于或等于99%。
在一种优选方案中，所述铜集流组件包括极耳和集流体，所述极耳和凹槽相适配，所述集流体固定于极耳下端，所述极耳的厚度范围为1～2mm，所述集流体的厚度范围为0.5～1.5mm。
在一种优选方案中，所述集流体的内部通过拉伸有多个均匀分布的镂空孔，所述镂空孔的边长范围为2～5mm。
在一种优选方案中，所述石墨毡压缩前的厚度范围为2～5mm，密度范围为0.09～0.13g/cm3，所述石墨毡的压缩量范围为0～50%。
一种液流电池，适用于上述任意一项所述的一种新型液流电池端电极。
本发明取得的技术效果为：
本发明通过对电极板和柔性石墨纸进行复合，并引入开设有镂空孔的集流体，制得液流电池端电极，不仅降低了液流电池端电极的电阻，还提高了液流电池的电压效率，并且有效较低成本及制造难度；
本发明通过设置具备高导电性的石墨毡，进一步的降低了液流电池端电极的电阻；
本发明通过更换不同厚度的组件，能够实现不同的石墨毡压缩量，简化了加工难度，降低了制造成本；
本发明通过在流道框板和电极板上分别设置第一焊接区和第二焊接区，通过焊接对流道框板和电极板进行焊接密封，提高了液流电池的密封性能和经济性优势。
附图说明
图1是本发明整体的结构示意图；
图2是本发明整体结构的爆炸图；
图3是本发明电阻率以及液流电池电压效率测定图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
10、流道框板；11、凹槽；12、第一焊接区；20、电极板；21、第二焊接区；30、铜集流组件；31、极耳；32、集流体；40、石墨毡；50、背压板。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个较佳的实施方式中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
请参阅附图1至图2所示，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种新型液流电池端电极，包括流道框板10，流道框板10的一端开设有凹槽11，流道框板10的内部设置有第一反应区，且凹槽11与第一反应区贯通，第一反应区的内部从远离凹槽11的一端到靠近凹槽11的一端依次装配有电极板20、铜集流组件30、石墨毡40和背压板50，电极板20和铜集流组件30、铜集流组件30和石墨毡40以及石墨毡40和背压板50之间均紧密贴合，且凹槽11和铜集流组件30相适配；
需要说明的是，在组装本装置的过程中，配套使用的还有一压力装置，通过压力装置能够将背压板50压入流道框板10内部，且在本实施例中，第一反应区镂空处理；
其中，使得背压板50远离电极板20的一端在压力装置的作用下与流道框板10远离电极板20的一端位于同一平面，且通过调节电极板20或/和铜集流组件30或/和背压板50的厚度，能够控制石墨毡40的压缩量。
具体的，在本实施例中，流道框板10的材料包括但不限于下列材质：聚乙烯、聚丙烯、偏氟乙烯等耐酸碱耐氧化类热塑性树脂材料，电极板20的材料包括先不限于下列材质：聚乙烯、聚丙烯、偏氟乙烯等耐酸碱耐氧化类热塑性树脂材料，以及添加导电添加剂后通过热熔混炼成型的片材，压缩量是指石墨毡40压缩前的厚度与压缩后的厚度之比。
优选的，流道框板10远离凹槽11的一端且位于第一反应区的四周开设有第一焊接区12，电极板20的内部设置有第二反应区，第二反应区的四周环绕开设有第二焊接区21，流道框板10和电极板20通过第一焊接区12和第二焊接区21焊接连接。
进一步的，通过上述方案设置，使得流道框板10和电极板20通过焊接能够实现焊接密封，避免电解液外漏，能够有效提高装置的密封性能。
优选的，电极板20的两端且位于第二反应区的内部均设置有柔性石墨纸，电极板20的电阻范围为80～200Ω·cm。
需要说明的是，在本实施例中，柔性石墨纸的尺寸小于电极板20的尺寸，以避免柔性石墨纸覆盖第二焊接区21，从而导致因第二焊接区21覆盖造成的无法焊接，通过设置柔性石墨纸，可以降低电极板20和铜集流组件30之间的接触电阻，进而降低电池内阻。
优选的，柔性石墨纸的厚度范围为100～300μm，石墨纸的纯度大于或等于99%。
优选的，铜集流组件30包括极耳31和集流体32，极耳31和凹槽11相适配，集流体32通过超声焊接的方式固定于极耳31下端，极耳31的厚度范围为1～2mm，集流体32的厚度范围为0.5～1.5mm。
需要说明的是，在本实施例中，极耳31和集流体32的材质均为紫铜。
进一步的，通过上述方案设置，不仅提高了集流体32的柔韧性，也提高了极耳31和集流体32的电流承载能力。
优选的，集流体32的内部通过拉伸有多个均匀分布的镂空孔，镂空孔的边长范围为2～5mm。
进一步的，通过上述方案设置，石墨毡40在受压压缩后，能够嵌入镂空孔中，铜集流组件30和石墨毡40能够完全贴合。
优选的，石墨毡40压缩前的厚度范围为2～5mm，密度范围为0.09～0.13g/cm3，石墨毡40的压缩量范围为0～50%。
进一步的，通过上述方案设置，能够有效降低石墨毡40的电阻，提高石墨毡40的导电性能。
一种液流电池，适用于上述任一项的一种新型液流电池端电极。
实施例2
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1mm的电极板20（电极板20的两端复合有厚度为100μm的柔性石墨纸）、厚度为1mm且镂空孔边长为4mm的集流体32、厚度为3mm且设计压缩量为流道框板10%的石墨毡40，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于锌溴液流电池体系中，对该锌溴液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
具体的，电池端电极的组装以及液流电池的组装工艺均为现有的成熟技术，在本实施例中，电池端电极以及液流电池的组装均按照现有技术进行，在此，不做进一步的赘述。
实施例3
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1mm的电极板20（电极板20的两端复合有厚度为100μm的柔性石墨纸）、厚度为1mm且镂空孔边长为4mm的集流体32、厚度为3mm且设计压缩量为电极板20%的石墨毡40，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于锌溴液流电池体系中，对该锌溴液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
实施例4
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1mm的电极板20（电极板20的两端复合有厚度为100μm的柔性石墨纸）、厚度为1mm且镂空孔边长为4mm的集流体32、厚度为3mm且设计压缩量为30%的石墨毡40，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于锌溴液流电池体系中，对该锌溴液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
实施例5
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1.5mm的电极板20（电极板20的两端复合有厚度为100μm的柔性石墨纸）、厚度为1mm且镂空孔边长为4mm的集流体32、厚度为3mm且设计压缩量为30%的石墨毡40，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于锌溴液流电池体系中，对该锌溴液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
实施例6
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1.5mm的电极板20（电极板20的两端复合有厚度为300μm的柔性石墨纸）、厚度为1mm且镂空孔边长为4mm的集流体32、厚度为3mm且设计压缩量为30%的石墨毡40，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于锌溴液流电池体系中，对该锌溴液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
实施例7
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1mm的电极板20（电极板20的两端复合有厚度为100μm的柔性石墨纸）、厚度为1mm且镂空孔边长为4mm的集流体32、厚度为3mm且设计压缩量为30%的石墨毡40，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于全钒液流电池体系中，对该锌溴液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
实施例8
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1.5mm的电极板（20电极板20的两端复合有厚度为100μm的柔性石墨纸）、厚度为1mm且镂空孔边长为4mm的集流体32、厚度为3mm且设计压缩量为30%的石墨毡40，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于全钒液流电池体系中，对该锌溴液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
实施例9
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1.5mm的电极板20（电极板20的两端复合有厚度为300μm的柔性石墨纸）、厚度为1mm且镂空孔边长为4mm的集流体32、厚度为3mm且设计压缩量为30%的石墨毡40，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于全钒液流电池体系中，对该锌溴液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
对比例一
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1mm的电极板20（电极板20的两端为复合柔性石墨纸）、厚度为1.5mm且无镂空孔的集流体32，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于锌溴液流电池体系中，对该锌溴液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
需要说明的是，本对比例中的液流电池端电极，未设置柔性石墨纸以及石墨毡40，且集流体32为铜板，且未开设镂空孔，该液流电池端电极装配于锌溴液流电池体系中。
对比例二
一种新型液流电池端电极，包括下列组件：电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1mm的电极板20（电极板20的两端为复合柔性石墨纸）、厚度为1.5mm且无镂空孔的集流体32，对该液流电池端电极电阻率进行测定，并装配于锌溴液流电池体系中，对该全钒液流电池体系进行电压效率测定，并记录测定结果。
需要说明的是，本对比例中的液流电池端电极，未设置柔性石墨纸以及石墨毡40，且集流体32为铜板，且未开设镂空孔，该液流电池端电极装配于全钒液流电池体系中。
通过统计上述实施例以及对比例的测定结果，获得电阻率及电压效率数据表：
；
请参阅上表以及图3所示，实施例六以及实施例九中的液流电池端电极及其适配的电池体系，在电子料和电压效率性能上，有明显的提升效果，通过上述实施例的测定结果表明：集流体32和石墨毡40通过压力装置紧密贴合，加上石墨毡40具备的高导电性能，在保持焊接性能和密封性能的前提下，可以有效的降低电池内阻，并提升电池电压效率，同时，通过调整石墨毡40的厚度以及设计压缩量，能够进一步降低电池内阻，综上，通过电阻率为100mΩ·cm的流道框板10、厚度为1.5mm的电极板20（电极板20的两端复合有厚度为300μm的柔性石墨纸）、厚度为1mm且镂空孔边长为4mm的集流体32、厚度为3mm且设计压缩量为30%的石墨毡40组装获得的液流电池端电极，具有较低的电阻，且通过该液流电池端电极组装的锌溴电池体系和全钒电池体系中均具有良好的电压效率，同时，通过更换不同厚度的组件，对石墨毡40的压缩率进行调整，不仅简化了加工难度，降低了制造成本，在流道框板10和电极板20上分别设置第一焊接区12和第二焊接区21，提高了液流电池的密封性能和经济性优势。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (7)
1.一种新型液流电池端电极，其特征在于：包括流道框板（10），所述流道框板（10）的一端开设有凹槽（11），所述流道框板（10）的内部设置有第一反应区，且所述凹槽（11）与第一反应区贯通，所述第一反应区的内部从远离凹槽（11）的一端到靠近凹槽（11）的一端依次装配有电极板（20）、铜集流组件（30）、石墨毡（40）和背压板（50），所述电极板（20）和铜集流组件（30）、铜集流组件（30）和石墨毡（40）以及石墨毡（40）和背压板（50）之间均紧密贴合，且所述凹槽（11）和铜集流组件（30）相适配；
所述流道框板（10）远离凹槽（11）的一端且位于第一反应区的四周开设有第一焊接区（12），所述电极板（20）的内部设置有第二反应区，所述电极板（20）的两端且位于第二反应区的内部均设置有柔性石墨纸，所述第二反应区的四周环绕开设有第二焊接区（21），所述流道框板（10）和电极板（20）通过第一焊接区（12）和第二焊接区（21）焊接连接；
所述铜集流组件（30）包括极耳（31）和集流体（32），所述极耳（31）和凹槽（11）相适配，所述集流体（32）固定于极耳（31）下端，所述集流体（32）的内部通过拉伸有多个均匀分布的镂空孔；
其中，使得所述背压板（50）远离电极板（20）的一端在压力装置的作用下与流道框板（10）远离电极板（20）的一端位于同一平面，且通过调节电极板（20）或/和铜集流组件（30）或/和背压板（50）的厚度，能够控制石墨毡（40）的压缩量。
2.根据权利要求1所述的一种新型液流电池端电极，其特征在于：所述电极板（20）的电阻范围为80～200Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的一种新型液流电池端电极，其特征在于：所述柔性石墨纸的厚度范围为100～300μm，所述石墨纸的纯度大于或等于99%。
4.根据权利要求1所述的一种新型液流电池端电极，其特征在于：所述极耳（31）的厚度范围为1～2mm，所述集流体（32）的厚度范围为0.5～1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种新型液流电池端电极，其特征在于：所述镂空孔的边长范围为2～5mm。
6.根据权利要求1所述的一种新型液流电池端电极，其特征在于：所述石墨毡（40）压缩前的厚度范围为2～5mm，密度范围为0.09～0.13g/cm3，所述石墨毡（40）的压缩量范围为0～50%。
7.一种液流电池，其特征在于，适用于权利要求1～6中任意一项所述的一种新型液流电池端电极。
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