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CN113410486A - 一种液流电池双极板材料及其制备方法 - Google Patents

一种液流电池双极板材料及其制备方法 Download PDF

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马相坤
乔琳
李海霞
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Abstract

本发明公开了一种液流电池双极板材料及其制备方法，所述的双极板材料分为上层、中间层和下层三层结构，上下两层为导电多孔材料，中间层为导电多孔材料内部的孔充满聚合物形成的聚合物填充层；所述的聚合物为PVDF、PTFE、PP或PE等材料。本发明利用多孔材料和聚合物构造的双极板，具有低接触电阻的优势，有效的降低了双极板电阻和接触电阻。通过表面处理降低接触电阻的碳素复合双极板，解决了在充放电运行后容易出现表面脱落现象而导致的可靠性和稳定性较差的问题。而采用该方法制备的双极板具有较强的可靠性、稳定性，同时该方法简单、易于实现，对于促进液流电池发展具有重要的作用。

Description

一种液流电池双极板材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及液流电池领域，具体涉及一种液流电池双极板材料及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展，对能源的需求日益增加，化石能源的大量消耗所引起的环境问题日益突显。大规模利用可再生能源、实现能源多样化成为世界各国能源安全和可持续发展的重要战略。但是风能，太阳能等再生能源的不连续性和不稳定性，使得他们的直接利用困难，所以利用储能技术，实现可再生能源的连续供应成为解决上述问题的关键。液流电池由于设计灵活(能量，功率分开设计)，安全性好，设计寿命长，已经成为大规模储能市场最优前景的技术之一。
双极板具有导电、阻隔正负极电解液的作用，因此需要有较高的电导率，双极板厚度越小，双极板本体电阻越小，越有利于降低电池的内阻。目前常用的为碳素复合双极板，由于其表面为导电炭黑、石墨以及塑料聚合物的混合体，其接触电阻较高，因此开发具有低接触电阻和较小厚度的双极板，对于液流电池的发展具有重要的意义。
发明内容
为解决现有技术的问题，本发明提供一种液流电池双极板材料及其制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种液流电池双极板材料，所述的双极板材料由导电多孔材料和聚合物组成，分为上层、中间层和下层三层，如图1所示，上下两层为导电多孔材料，中间层为导电多孔材料内部的孔充满聚合物形成的聚合物填充层，该层致密性较高，起到阻隔正负极电解液的作用。所述的聚合物包括PVDF、PTFE、PP、PE等聚合物。
基于以上技术方案，优选的，所述的双极板材料通过导电多孔材料而导电，两边露出表面的导电多孔材料可以降低与电极材料的接触电阻，其厚度为0.001-1mm，即上下两层的厚度分别0.001-1mm。
基于以上技术方案，优选的，所述的导电多孔材料包括碳纸、碳布、碳纤维毡等多孔材料。
基于以上技术方案，优选的，所述双极板材料的厚度为0.1-5mm。
本发明还涉及保护上述双极板材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将导电多孔材料浸入聚合物乳液或熔融状态下的聚合物中，使得聚合物完全浸入导电多孔材料中；
(2)将经过步骤(1)处理的导电多孔材料取出，利用压力机进行固化和定型；
(3)将经过步骤(2)处理的导电多孔材料的表面浸入到可溶解聚合物的有机溶剂当中，溶解掉导电多孔材料表面的聚合物，露出导电多孔材料；
(4)将经过步骤(3)处理的导电多孔材料进行干燥，使得可溶解聚合物的溶剂挥发掉，之后利用压力机进行定型，使导电多孔材料的表面平整。
基于以上技术方案，优选的，步骤(1)中，所述的导电多孔材料的厚度为0.1-5mm。
基于以上技术方案，优选的，步骤(1)中，所述的聚合物乳液的浓度为60wt％。
基于以上技术方案，优选的，步骤(2)中，所述的固化和定型的压力范围为40-60MPa，时间10-12个小时。
基于以上技术方案，优选的，步骤(3)中，所述的可溶解聚合物的有机溶剂包括二甲基乙酰胺(DMAC)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等。
基于以上技术方案，优选的，步骤(4)中，所述的干燥的条件为：室温(一般指25℃)-65℃，时间为12-24小时。
基于以上技术方案，优选的，步骤(4)中，所述的定型的压力为40MPa，时间为6-12个小时。
所述的双极板材料，其溶解掉导电多孔材料表面的聚合物，露出导电多孔材料的区域为所对应的与电极和膜接触的区域，双极板材料其他位置未做处理。
本发明的有益效果：本发明利用多孔材料和聚合物构造的双极板，具有低接触电阻的优势，有效的降低了双极板电阻和接触电阻。通过表面处理降低接触电阻的碳素复合双极板，解决了在充放电运行后容易出现表面脱落现象而导致的可靠性和稳定性较差的问题。而采用该方法制备的双极板具有较强的可靠性、稳定性，同时该方法简单、易于实现，对于促进液流电池发展具有重要的作用。
附图说明
图1为双极板的结构示意图。
图2为单电池组装的结构示意图。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
1.双极板制备：
双极板材料由碳纤维毡和PVDF组成，分为上层、中间层和下层三层，如图1所示，上下两层为导电多孔材料，中间层为导电多孔材料内部的孔充满聚合物形成的聚合物填充层，上下两层的厚度分别0.1mm，使用厚度为2mm的碳纤维毡制备双极板材料，双极板材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纤维毡(6x6cm2)浸入30ml 60wt％PVDF乳液中，时间为12小时，使得PVDF乳液完全进入碳纤维毡中；
(2)将经过步骤(1)处理的碳纤维毡取出，放入到压力机上，利用压力机在室温下进行固化和定型，压强为40MPa，压制时间为12小时；
(3)将经过步骤(2)定型后的碳纤维毡上、下表面分别浸入到DMAC溶剂中，溶解掉碳纤维毡与电极接触相对应区域表面的PVDF，露出碳纤维毡；
(4)将经过步骤(3)处理的碳纤维毡室温下干燥24小时，挥发掉DMAC，之后放入到压力机上，在室温下使用压力机进行定型，压强为40MPa，压制时间为6小时。
2.电池组装：
单电池依次按照正极端板、正极双极板(4.5x4.5cm2)、正极电极(3x3cm2)、隔膜(Nafion211)、负极电极(3x3cm2)、负极双极板(4.5x4.5cm2)、负极端板进行组装，如图2所示，本发明的双极板作为单电池正负极双极板使用，电解液的组成为0.8mol/L的V3+和0.8mol/L的VO2+以及3mol/L的H2SO4。
3.电池测试：
电解液流速为50ml/min，充放电电流密度150mA/cm2，该电池的平均能量效率达到80％左右，循环寿命10000以上。
实施例2
1.双极板制备：
双极板材料由碳纤维毡和PVDF组成，分为上层、中间层和下层三层，如图1所示，上下两层为导电多孔材料，中间层为导电多孔材料内部的孔充满聚合物形成的聚合物填充层，上下两层的厚度分别0.1mm，使用厚度为2mm的碳纤维毡制备双极板材料，双极板材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将PVDF加热到200℃，使其变成熔融状态。将碳纤维毡(6x6cm2)浸入到熔融状态下的PVDF当中，时间为12小时，使得PVDF完全进入碳纤维毡中；
(2)将经过步骤(1)处理的碳纤维毡取出，放入到压力机上，利用压力机在室温下进行固化和定型，压强为40MPa，压制时间为12小时；
(3)将经过步骤(2)定型后的碳纤维毡上、下表面分别浸入到DMAC溶剂中，溶解掉碳纤维毡与电极接触相对应区域表面的PVDF，露出碳纤维毡；
(4)将经过步骤(3)处理的碳纤维毡室温下干燥24小时，挥发掉DMAC，之后放入到压力机上，在室温下使用压力机进行定型，压强为40MPa，压制时间为6小时。
2.电池组装：
单电池依次按照正极端板、正极双极板(4.5x4.5cm2)、正极电极(3x3cm2)、隔膜(Nafion211)、负极电极(3x3cm2)、负极双极板(4.5x4.5cm2)、负极端板进行组装，如图2所示，本发明的双极板作为单电池正负极双极板使用，电解液的组成为0.8mol/L的V3+和0.8mol/L的VO2+以及3mol/L的H2SO4。
3.电池测试：
电解液流速为50ml/min，充放电电流密度150mA/cm2，该电池的平均能量效率达到80％左右，循环寿命10000以上。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种液流电池双极板材料，其特征在于：所述的双极板材料分为上层、中间层和下层三层结构，上下两层为导电多孔材料，中间层为导电多孔材料内部的孔充满聚合物形成的聚合物填充层；所述的聚合物为PVDF、PTFE、PP或PE。
2.根据权利要求1所述的液流电池双极板材料，其特征在于：所述的上下两层的厚度分别0.001-1mm。
3.根据权利要求1所述的液流电池双极板材料，其特征在于：所述的导电多孔材料为碳纸、碳布或碳纤维毡。
4.根据权利要求1所述的液流电池双极板材料，其特征在于：所述双极板材料的厚度为0.1-5mm。
5.一种权利要求1-4中任意一项所述的液流电池双极板材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将导电多孔材料浸入聚合物乳液或熔融状态下的聚合物中；
(2)将经过步骤(1)处理的导电多孔材料取出，利用压力机进行固化和定型；
(3)将经过步骤(2)处理的导电多孔材料的表面浸入到有机溶剂中，溶解掉导电多孔材料表面的聚合物，露出导电多孔材料；
(4)将经过步骤(3)处理的导电多孔材料进行干燥，之后利用压力机进行定型。
6.根据权利要求5所述的液流电池双极板材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的聚合物乳液的浓度为60wt％。
7.根据权利要求5所述的液流电池双极板材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的固化和定型的压力为40-60MPa，时间10-12个小时。
8.根据权利要求5所述的液流电池双极板材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的有机溶剂为二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
9.根据权利要求5所述的液流电池双极板材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的干燥的条件为：室温-65℃，时间为12-24小时。
10.根据权利要求5所述的液流电池双极板材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，步骤(4)中，所述的定型的压力为40MPa，时间为6-12个小时。
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