CN201838659U - 一种全钒氧化还原液流电池的复合电极 - Google Patents

一种全钒氧化还原液流电池的复合电极 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种全钒氧化还原液流电池的复合电极，包括集流板（2）、以及复合在集流板上的电极（1），所述集流板相对电极的一面设有多个凹槽（21），所述电极相对集流板的一面设有多个凸脊（11），所述凸脊嵌入所述凹槽将所述电极与集流板复合在一起，所述凸脊的嵌入部分与所述凹槽对应。本实用新型的有益效果是：集流板和电极上分别设置的凹槽和凸脊，镶嵌在一起后，增大了集流板和电极的接触面积与紧密程度，接触电阻减小；长期使用后，两者不会产生滑动位移，从而接触电阻不会增大。

Description

一种全钒氧化还原液流电池的复合电极
技术领域
本实用新型属于全钒氧化还原液流电池领域，尤其涉及一种全钒氧化还原液流电池的复合电极。
背景技术
全钒氧化还原液流电池（VRB，简称为钒电池）是一种新型高效大容量电池。钒电池的电极作为电池的关键部件之一，对电池的性能影响很大，因此要求其具有较好的电化学活性和机械稳定性等性能，同时其电导率直接影响到电池的能量效率，因此要求其具有较小的电阻。
钒电池电极材料主要分为两类：金属类电极（金、铅、钛、钛基铂和氧化铱等）和碳材料类电极（碳布、石墨毡、碳纸等）。研究结果表明，金属类电极的成本高，长期使用后容易发生钝化，降低电池性能，不适合大规模应用于钒电池。由于碳材料在硫酸溶液中的化学稳定性，优良的导电性，以及在较宽的电位范围内表现为电化学惰性等，使其成为钒电池优先考虑的电极材料。由于钒电池电极对力学强度和电解液不透过性的要求，碳材料需要与具有一定机械强度、高导电性和对电解液不透过的集流板复合使用。可供选用的集流板包括石墨板、金属板和导电塑料板等。在复合电极中，电极作为电化学反应的场所，而集流板主要起收集电流和分隔正负极电解液的作用。
现有技术中，电极是通过热压合于集流板上形成复合电极。热压合需要严格的工艺条件控制，若压力过小，容易造成电极和集流板接触不良，而产生较大的接触电阻；若压力过大，则造成结构上的损坏。因此出现了通过导电胶来粘接电极和集流板形成复合电极，如图1所示，该复合电极包括电极1′、集流板2′和导电胶3′，但因为导电胶3′长时间与电解液接触，电解液的流动、冲刷会导致导电胶3′粘接性能逐渐下降，集流板2′和电极1′之间产生滑动位移，情况严重的时候会导致部分集流板2′和电极1′无接触，从而增大接触电阻。
发明内容
本实用新型为解决钒电池长期使用后，集流板和电极之间产生滑动位移和接触电阻增大的技术问题，提供一种能有效避免集流板和电极滑动，增大集流板和电极的接触面积与紧密程度，有效降低接触电阻的复合电极。
一种全钒氧化还原液流电池的复合电极，包括集流板、以及复合在集流板上的电极，所述集流板相对电极的一面设有多个凹槽，所述电极相对集流板的一面设有多个凸脊，所述凸脊嵌入所述凹槽将所述电极与集流板复合在一起，所述凸脊的嵌入部分与所述凹槽对应。
优选地，还包括导电胶，所述导电胶位于所述电极和所述集流板之间。
优选地，所述导电胶的厚度为0.1-0.3mm。
优选地，所述凸脊的高度大于所述凹槽的深度，在所述集流板与所述电极之间形成流道。
优选地，所述凸脊的高度与所述凹槽的深度的差值在0.5-1mm之间。
优选地，所述凹槽或凸脊的截面形状为梯形、弧形或矩形。
优选地，所述凹槽的截面形状为矩形，凹槽的深度为1-3mm，凹槽的宽度为3-4mm，相邻凹槽的间距为3-4mm。
优选地，所述凸脊的截面形状为矩形，凸脊的高度为2-4mm，凸脊的宽度为3-4mm，相邻凸脊的间距为3-4mm。
优选地，所述集流板为石墨板，所述电极为石墨毡。
优选地，所述集流板的厚度为5-10mm，所述电极的厚度为6-10mm。
本实用新型提供的全钒氧化还原液流电池的复合电极采用复合结构，将集流板和电极上分别设置凹槽和凸脊，然后镶嵌在一起，增大了集流板和电极的接触面积与紧密程度，接触电阻减小；长期使用后，两者不会产生滑动位移，从而接触电阻不会增大。
附图说明
 图1是现有技术提供的复合电极剖视图。
图2是本实用新型提供的集流体示意图。
图3是本实用新型提供的电极示意图。
图4是本实用新型提供的复合电极剖视图。
具体实施方式
 为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图2-4，本实用新型提供一种全钒氧化还原液流电池的复合电极，包括集流板2、以及复合在集流板2上的电极1。所述集流板2相对电极1 的一面设有多个凹槽21，所述电极1相对集流板2的一面设有多个凸脊11，所述凸脊11嵌入所述凹槽21将所述电极1与集流板2复合在一起，所述凸脊11的嵌入部分与所述凹槽21对应。
为了增加电极1与集流板2连接的牢固程度，可以通过热压或涂覆胶水的方式使两者复合。优选将导电胶3涂覆于凹槽21的底部，涂覆厚度为0.4-0.6mm，固化后的厚度为0.1-0.3mm。
如图4所示，凹槽21或凸脊11的截面形状矩形。当然也可以为其他形状，如梯形或弧形，图5示出的是凹槽21或凸脊11的截面形状为梯形。
如图2，集流板2可采用石墨板、金属板或导电塑料板等导电材料，优选为石墨板。集流板2的厚度为5-10mm，凹槽21的深度为1-3mm，凹槽21的宽度为3-4mm，相邻凹槽的间距D2为3-4mm。
如图3，电极1可采用碳材料，优选为石墨毡，其中含碳量应大于99.8%，石墨化温度应大于2000°。电极1的厚度为6-10mm，凸脊11的高度为2-4mm，凸脊11的宽度为3-4mm，相邻凸脊的间距D1为3-4mm。
优选凸脊11的高度大于凹槽21的深度，其差值为0.5-1mm，优选为0.5mm。这样电极1和集流板2在复合后，之间会保留一定高度的流道4。用于钒电池时，在电极1靠近电解液的一侧表面，电解液流动速度很快，因此不存在浓差极化，但是在电极1的内部，电解液的流动速度很慢，远不如表层，所以电解液在集流板2流场中流动不顺畅，整个流场出现无电解液流经的“死角”，电池浓差极化大。而流道4则可以让电解液流动更顺畅，降低浓差极化。
实施例：
本实施例的全钒氧化还原液流电池的复合电极的制备方法为：
a、将电极1和集流板2刻槽； 准备面积为625cm2、厚度为6mm的石墨毡作为电极1，在石墨毡上刻槽从而形成凸脊11，凸脊11的截面为矩形，其中凸脊11的高度为2.5mm，凸脊11的宽度为4mm，相邻凸脊的间距为4mm。准备面积为729cm2、厚度为5mm的石墨板作为集流板2，在石墨板上刻槽从而形成凹槽21，凹槽21的截面为矩形，其中凹槽21的深度为2mm，凹槽21的宽度为4mm，相邻凹槽的间距为4mm；
b、准备导电胶3； 称取环氧树脂100质量份，三乙醇胺14质量份，导电碳黑40质量份，其中导电碳黑的粒度为5μm。以丙酮为溶剂将上述材料在研钵中进行充分研磨混合，制成导电胶3；
c、复合电极1和集流板2； 将导电胶3涂覆在集流板2的凹槽21的底部，涂覆厚度为0.5mm，将电极1的凸脊11嵌入集流板2的凹槽21进行粘接，然后在100℃下固化4h。固化后，电极1和集流板2之间留有通道4。
将制备好的复合电极做成电池，国产PE-01离子交换膜作为隔膜，正极电解液为1.5mol/L的+5价钒离子溶液，负极电解液为1.5mol/L的+2价钒离子溶液。电池堆为10个单体电池串联。
前50次循环充放电的平均能力效率为80.26%，电池平均电阻为32mΩ。
对比例：
对比例制备复合电极的方法与实施例相同，不同之处在于电极和集流板不设置凸脊和凹槽而直接通过导电胶粘接。
前50次循环充放电的平均能力效率为70.03%，电池平均电阻为73mΩ。
由实施例和对比例可以看出，采用本实施例的复合电极制成的钒电池其平均电阻减小，平均能力效率增大。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种全钒氧化还原液流电池的复合电极，包括集流板（2）、以及复合在集流板上的电极（1），其特征在于：所述集流板相对电极的一面设有多个凹槽（21），所述电极相对集流板的一面设有多个凸脊（11），所述凸脊嵌入所述凹槽将所述电极与集流板复合在一起，所述凸脊的嵌入部分与所述凹槽对应。
2.如权利要求1所述的全钒氧化还原液流电池的复合电极，其特征在于：还包括导电胶（3），所述导电胶位于所述电极和所述集流板之间。
3.如权利要求2所述的全钒氧化还原液流电池的复合电极，其特征在于：所述导电胶（3）的厚度为0.1-0.3mm。
4.如权利要求1所述的全钒氧化还原液流电池的复合电极，其特征在于：所述凸脊（11）的高度大于所述凹槽（21）的深度，在所述集流板与所述电极之间形成流道（4）。
5.如权利要求4所述的全钒氧化还原液流电池的复合电极，其特征在于：所述凸脊（11）的高度与所述凹槽（21）的深度的差值在0.5-1mm之间。
6.如权利要求1所述的全钒氧化还原液流电池的复合电极，其特征在于：所述凹槽（21）或凸脊（11）的截面形状为梯形、弧形或矩形。
7.如权利要求6所述的全钒氧化还原液流电池的复合电极，其特征在于：所述凹槽（21）的截面形状为矩形，凹槽的深度为1-3mm，凹槽的宽度为3-4mm，相邻凹槽的间距为3-4mm。
8.如权利要求6所述的全钒氧化还原液流电池的复合电极，其特征在于：所述凸脊（11）的截面形状为矩形，凸脊的高度为2-4mm，凸脊的宽度为3-4mm，相邻凸脊的间距为3-4mm。
9.如权利要求1所述的全钒氧化还原液流电池的复合电极，其特征在于：所述集流板（2）为石墨板，所述电极（1）为石墨毡。
10.如权利要求1或9所述的全钒氧化还原液流电池的复合电极，其特征在于：所述集流板（2）的厚度为5-10mm，所述电极（1）的厚度为6-10mm。
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