[實用新型]一體化復(fù)合電極板

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201120114556.5
• 申請日: 2011-04-15
• 公開（公告）號: CN202004086U
• 公開（公告）日: 2011-10-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 云廷志
• 申請（專利權(quán)）人: 云廷志
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/66
• 代理公司: 北京邦信陽專利商標(biāo)代理有限公司 11012
• 代理人: 高之波

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及電池制造及能量存儲領(lǐng)域，特別涉及一體化復(fù)合電極板。

背景技術(shù)

電能是現(xiàn)代社會人類生活和生產(chǎn)不可或缺的二次能源。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人類對電力的需求在日益增加。因此，必須不斷發(fā)展各類電站及輸配電系統(tǒng)以滿足生活和生產(chǎn)對電力的需求。為充分利用各類發(fā)電系統(tǒng)并實現(xiàn)穩(wěn)定供電，開發(fā)大規(guī)模(兆瓦級)高效蓄電技術(shù)十分必要。大規(guī)模高效蓄電技術(shù)主要有揚水儲能技術(shù)和液流儲電池技術(shù)。兩者相比，后者具有設(shè)置不受地理條件限制、規(guī)模靈活、建設(shè)周期短、投資少等優(yōu)點。大規(guī)模高效液流儲能系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域首先是與風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)配套使用，使其穩(wěn)定供電；其次是火力發(fā)電及核電站的電網(wǎng)調(diào)峰，以及直流用電大戶儲存“谷電”；還可用作自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭等非常時期的應(yīng)急電源，重要軍事基地的備用電站等。到目前為止，研究較多的液流儲能電池有：鐵鉻液流儲能電池、多硫化鈉/溴液流儲能電池和全釩液流儲能電池。與前兩種液流電池相比，全釩液流電池的能量效率較高，一般可達(dá)75％-80％。因此，全釩液流儲能電池最具有產(chǎn)業(yè)化前景。全釩液流電池以釩離子液流作為電池反應(yīng)的活性物質(zhì)，正極活性物質(zhì)為V⁺⁴/V⁺⁵電對，負(fù)極活性物質(zhì)為V⁺²/V⁺³電對。正負(fù)電極之間用離子交換膜隔開，充放電時電池內(nèi)部通過氫質(zhì)子在膜中的定向遷移而導(dǎo)通。電池的正負(fù)極充電如下：正極：V⁺⁴-e充電/放電V⁺⁵；負(fù)極：V⁺³-e充電/放電V⁺²。澳大利亞新南威爾士大學(xué)的sum和skylass-kazacos等人從1984年開始對全釩液流儲能電池進(jìn)行了初步的研究，近十幾年來，雖然電極材料和離子交換膜材料仍然存在一些問題，但是全釩液儲能電池還是得到了較大的發(fā)展。

電極的主要作用是提供電化學(xué)反應(yīng)的場所，因此需要有一定的催化活性。雙極板的作用主要是收集電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流以及分隔正負(fù)電解液，因此應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性和阻液性。同時液流電池作為一種儲能裝置，還必須考慮其能量轉(zhuǎn)化效率。因此，電極與雙極板之間的接觸電阻必須盡可能的小。此外，在全釩液流儲能電池中，所使用的電解液為釩離子的硫酸溶液，具有很強的腐蝕性；同時，V⁵⁺具有較強的氧化性，因此作為全釩液儲能電池的電極和雙極板還必須具有足夠的耐腐蝕性。目前用于全釩液流儲能電池的電極種類主要包括金屬電極和碳素電極；雙極板主要有石墨雙極板，碳塑雙極板和金屬雙極板。此外，由于一體化電極板的結(jié)構(gòu)緊湊，可以降低石墨氈與雙極板之間的接觸電阻，因此也成為目前的熱點。1、電極材料(1)金屬類電極材料，用作全礬液流儲能電池的金屬電極材料包括金、鉛、鈦、鈦基鉑和鈦基氧化銥等。V⁺⁴/V⁺⁵電對在金電板上表現(xiàn)出較強的電化學(xué)不可逆性且金的價格昂貴。鉛電極和鈦電極的表面則容易生成鈍化膜，導(dǎo)致電極的表面電阻增大，不利于反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。鈦基鉑電極避免了鈦電極表面生成鈍化膜的問題，并V⁺⁴/V⁺⁵電對和V⁺²/V⁺³電對在鈦基鉑電極表面表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)可逆性，但由于鈦基鉑電極成本較高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。此外，雖然V⁺⁴/V⁺⁵電對和V⁺²/V⁺³電對在鈦基氧化銥電極表面上也具有較高的電化學(xué)可逆性，且顯示出了良好的電化學(xué)活性和化學(xué)穩(wěn)定性，但由于鈦基氧化銥的價格十分昂貴，因此不適合作液電池的電極材料。總之，雖然V⁺⁴/V⁺⁵電對和V⁺²/V⁺³電對在貴金屬電極表面電化學(xué)反應(yīng)的可逆性較好，然而貴金屬電極的成本昂貴，不能進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。V⁺⁴/V⁺⁵電對和V⁺²/V⁺³電對在非貴金屬電極表面電化學(xué)反應(yīng)的可逆性較差，并且耐腐蝕性差，也不適合應(yīng)用于全釩液流儲能電池。(2)碳素電極材料，結(jié)果表明V⁺⁴/V⁺⁵電對和V⁺²/V⁺³電對在石墨電極表面的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)具有高可逆性，但在充電過程中，當(dāng)電位過高時，用作陽極的石墨板表面會被腐蝕。在石墨板表面涂敷一層聚苯胺，可以避免上述腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，但經(jīng)幾次充放電后聚苯胺涂層會從石墨板表面剝離。V⁺⁴/V⁺⁵電對在普通碳素氈電極表面上電化學(xué)反應(yīng)則表現(xiàn)在了不可逆性。石墨電極表面具有較好的電化學(xué)活性，但必須提高石墨電極的有效電化學(xué)反應(yīng)面積，才能實際應(yīng)用于全釩液流電池中。2、雙極板材料，雙極板材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及高機械強度和低滲透性。由于全釩液流電池的電解液中含有大量的硫酸，且充電電位較高，因此雙極板材料還必須是耐腐蝕的導(dǎo)電材料。目前使用的雙極板主要有金屬雙極板、石墨雙極板和碳塑復(fù)合雙極板。(1)金屬雙極板材料，金、鈦、鉑等貴金屬雖然耐腐蝕性較好，但由于其價格昂貴，所以不適合作為雙極板材料。(2)石墨雙極板材料，石墨材料在酸性條件下是穩(wěn)定的，并且具有良好的導(dǎo)電性，其中，無孔純石墨還具有阻液性，可以作為全釩液流電池用雙極板材料。但石墨雙極板的制備工藝復(fù)雜，費時且成本高，因此不適合應(yīng)用于全礬液流電池。(3)碳塑雙極板材料，為了降低雙極板制備成本，以導(dǎo)電填料和高分子樹脂為原料，采用注塑或模壓等方法來制備的碳塑雙極板目前廣泛地應(yīng)用于全釩液流電池中，其中采用的導(dǎo)電填料包括石墨粉、炭黑、碳纖維、碳納米管、金屬粉末等；而高分子樹脂通常是聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等，為了提高碳塑復(fù)合雙極板的機械強度還可添加纖維進(jìn)行增強。