[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于液流儲(chǔ)能電池的增強(qiáng)柔性石墨雙極板及其制備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710011336.8
• 申請(qǐng)日: 2007-05-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101308924A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉宗浩;張華民;韓希;高素軍;郝玥
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所;博融(大連)產(chǎn)業(yè)投資有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/02
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/02;H01M4/04
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中的液流儲(chǔ)能電池，具體地說(shuō)是液流儲(chǔ)能電池用增強(qiáng)柔性石墨雙極板及其制備方法。

背景技術(shù)

電能是現(xiàn)代社會(huì)人類(lèi)生活和生產(chǎn)必不可少的二次能源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)電力的需求日益增加。為了整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，充分開(kāi)發(fā)和利用可再生能源以成為十分迫切的要求。為保證可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定供電，并充分有效地利用其發(fā)電能力，必須以蓄電儲(chǔ)能的方式加以調(diào)節(jié)。另外，電網(wǎng)的削峰填谷、平衡負(fù)荷也迫切需要我們開(kāi)發(fā)規(guī)模儲(chǔ)能蓄電技術(shù)。液流儲(chǔ)能電池具有不受地理?xiàng)l件限制、規(guī)模靈活、比能量高、響應(yīng)時(shí)間快、建設(shè)周期短、投資少等優(yōu)點(diǎn)。同其它化學(xué)儲(chǔ)能電池相比液流儲(chǔ)能電池也具有很多優(yōu)勢(shì)，比如：(1)功率和容量相互獨(dú)立；(2)電池壽命長(zhǎng)；(3)能深度放電并且不會(huì)損壞電池。因此，液流儲(chǔ)能電池是一類(lèi)有效利用能源和發(fā)電能力的規(guī)模化儲(chǔ)能蓄電裝置。其工作流程示意圖如圖1所示。電解液通過(guò)泵循環(huán)流過(guò)電池，并在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)陰陽(yáng)極電解液用離子交換膜隔開(kāi)，電池外接負(fù)載或者電源。

在所有研究和開(kāi)發(fā)過(guò)的液流儲(chǔ)能電池中，全釩液流儲(chǔ)能電池(VRB)及多硫化鈉/溴液流儲(chǔ)能電池(PSB)最具產(chǎn)業(yè)化的前景。

全釩液流儲(chǔ)能電池(AVRB)正極電對(duì)為VO²⁺/VO₂⁺，負(fù)極電對(duì)為V²⁺/V³⁺，正負(fù)極之間用離子交換膜隔開(kāi)，單電池標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)路電壓約為1.259V。充放電時(shí)電池電極反應(yīng)分別如下：

正極：

多硫化鈉/溴液流儲(chǔ)能電池(PSB)以Br₂/Br^-為正極電對(duì)，以S_n+1^2-/Sn^2-為負(fù)極電對(duì)。Br₂主要以Br^3-形式存在于正極電解液中，單質(zhì)硫與硫離子結(jié)合成多硫離子存在于負(fù)極電解液中。充放電時(shí)正、負(fù)電極發(fā)生如下反應(yīng)：

正極：

負(fù)極：

x＝1～4，單電池標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)路電壓為1.515V

雙極板是液流儲(chǔ)能電池的關(guān)鍵部件，其材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性能、阻液性能、機(jī)械力學(xué)性能以及在電池電解液環(huán)境的化學(xué)穩(wěn)定性。

液流儲(chǔ)能電池所采用的電解液體系通常是具有強(qiáng)酸性和強(qiáng)氧化還原性的液流體系，常用的金屬類(lèi)材料由于穩(wěn)定性原因而不適宜用作液流儲(chǔ)能電池雙極板。

純石墨板是一種常用的液流儲(chǔ)能電池雙極板材料。它具有電導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好和阻液性能優(yōu)異等特點(diǎn)。T.Mohammadi以及Gab-Jin?Hwang等均采用硬石墨板作為雙極板組裝了全釩液流儲(chǔ)能電池，獲得了超過(guò)80％的能量效率。文獻(xiàn)(US?Patent?4786567)報(bào)道了應(yīng)用硬石墨板作為雙極板組裝全釩液流儲(chǔ)能電池。趙平等也報(bào)道了應(yīng)用純石墨板作為雙極板組裝多硫化鈉/溴液流儲(chǔ)能電池。然而高成本、材質(zhì)較脆和密度較大等因素限制了其實(shí)際應(yīng)用。

碳塑導(dǎo)電復(fù)合材料是另外一種液流儲(chǔ)能電池常用的雙極板材料。它具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性能和機(jī)械力學(xué)性能以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)。M.Kazacos等將碳纖維和聚乙烯混合，制成碳塑導(dǎo)電復(fù)合板作為全釩液流儲(chǔ)能電池雙極板。文獻(xiàn)(US?Patent?2004/0202915?A1)中全釩液流儲(chǔ)能電池采用的雙極板為由石墨、碳黑和聚氯乙稀等樹(shù)脂混合經(jīng)注射成型工藝加工而成的碳塑導(dǎo)電復(fù)合材料板。目前，導(dǎo)電性能差是碳塑導(dǎo)電復(fù)合材料存在的主要問(wèn)題。

柔性石墨具有石墨的理化性能，導(dǎo)電性能良好，化學(xué)穩(wěn)定性高，而且成本低廉。以上特點(diǎn)使得其適合作為液流儲(chǔ)能電池雙極板材料。然而，由于柔性石墨板由膨脹石墨顆粒壓制而成，板內(nèi)會(huì)不同程度的存在一定的孔隙，從而阻液性能相對(duì)較差，這就導(dǎo)致充放電過(guò)程中電解質(zhì)溶液發(fā)生互串，電池庫(kù)侖效率下降。而且機(jī)械力學(xué)性能相對(duì)較差也使得其應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好導(dǎo)電性能、阻液性能及機(jī)械力學(xué)性能的滿足全釩液流儲(chǔ)能電池需要的增強(qiáng)柔性石墨雙極板及其制備。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用碳塑導(dǎo)電復(fù)合材料對(duì)柔性石墨板進(jìn)行增強(qiáng)，并用熱壓方法制備增強(qiáng)柔性石墨雙極板。具體技術(shù)方案為：