[發(fā)明專利]一種柔性石墨雙極板及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610819533.1
• 申請日: 2016-09-12
• 公開（公告）號: CN107819137A
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖偉;侯紹宇;楊志剛;劉建國;嚴(yán)川偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: H01M8/0245
• 分類號: H01M8/0245;H01M8/0243;H01M8/0234;H01M8/0232
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)21234
• 代理人: 張志偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池用雙極板制備領(lǐng)域，特別是一種柔性石墨雙極板及其制備方法。

背景技術(shù)

全釩液流電池和燃料電池的結(jié)構(gòu)中包含的雙極板，也稱集流板，具有連接單體電池正、負(fù)極的導(dǎo)線作用，也起著分隔不同單體電池的正極氧化性材料與負(fù)極還原性材料的作用，可將電極反應(yīng)物通過雙極板的流場均勻分配到電極各處。因此，為了更好的發(fā)揮導(dǎo)線作用，要求雙極板必須是電的良導(dǎo)體，而且導(dǎo)電性越高越好；為了有效的隔離正、負(fù)極活性物質(zhì)，要求雙極板具有足夠的阻隔性，即要求雙極板結(jié)構(gòu)致密，對氣態(tài)、液態(tài)物質(zhì)無滲漏；為了確保電池在工作時(shí)溫度分布均勻并使電池的熱量順利排除，雙極板必須是熱的良導(dǎo)體；為了提高電池的配性和使用壽命，要求雙極板具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和耐化學(xué)腐蝕性，提高以滿足不同電池對能力密度和功率密度的要求，同時(shí)雙極板的價(jià)格要低，以滿足電池大規(guī)模推廣的成本要求。

目前，研究較多的電池用雙極板包括：耐蝕金屬類、導(dǎo)電塑料類和石墨類。金屬類雙極板的導(dǎo)電性、機(jī)械性和加工性較好，但是成本昂貴，且耐蝕性還需要進(jìn)一步改進(jìn)，暫不能具備大規(guī)模應(yīng)用的前景；導(dǎo)電塑料類雙極板的成本較低，但是其導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度之間的矛盾性較難平衡，在高功率電池組的應(yīng)用中受到限制；石墨類雙極板的導(dǎo)電性及耐腐蝕性較好，缺點(diǎn)是制作程序復(fù)雜而嚴(yán)格，耗工費(fèi)時(shí)，且該類型雙極板質(zhì)脆，缺乏韌性，實(shí)際使用的石墨雙極板厚度較大，一般為3mm左右，不利于電池體積比功率的提高。

柔性石墨具有雙極板所需的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，關(guān)于純?nèi)嵝允蛉嵝允c樹脂復(fù)合雙極板的研究較多，但是該類雙極板的機(jī)械強(qiáng)度還是無法滿足要求。若能柔性石墨為主體導(dǎo)電材料，通過一定的增強(qiáng)方法改善其機(jī)械性將可以制備出綜合性能優(yōu)異的電池用雙極板。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種柔性石墨雙極板及其制備方法，此極板包括導(dǎo)電增強(qiáng)骨架和柔性石墨導(dǎo)電主體材料，用此方法制備的雙極板具有導(dǎo)電性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、厚度薄以及制備成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種柔性石墨雙極板，雙極板包括導(dǎo)電增強(qiáng)骨架和附著于其表面和內(nèi)部的柔性石墨材料，由含有導(dǎo)電添加劑和樹脂的漿料涂覆于導(dǎo)電增強(qiáng)骨架表面形成改性導(dǎo)電增強(qiáng)骨架，將柔性石墨紙與改性導(dǎo)電增強(qiáng)骨架層疊后模壓，獲得電池用雙極板；

其中，導(dǎo)電增強(qiáng)骨架為孔隙率高、導(dǎo)電性強(qiáng)、機(jī)械及化學(xué)穩(wěn)定性好的金屬材料或碳材料；導(dǎo)電添加劑為具有優(yōu)異導(dǎo)電性的碳纖維、碳納米管、人造石墨、石墨烯、導(dǎo)電塑料粒子、金屬納米粒子之一或兩種以上混合；樹脂為熱塑性或熱固性樹脂，采用聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯及聚四氟乙烯之一或兩種以上混合。

所述的導(dǎo)電增強(qiáng)骨架包括：不銹鋼網(wǎng)、鋁網(wǎng)、碳布或多孔泡沫金屬，或者其它具有較高導(dǎo)電性、較高機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性的、可以制備成多孔結(jié)構(gòu)的金屬材料或碳材料。

所述的導(dǎo)電增強(qiáng)骨架的孔尺寸為0.2mm×0.2mm～10mm×10mm，導(dǎo)電增強(qiáng)骨架的厚度為0.1mm～3.0mm。

所述的導(dǎo)電添加劑和樹脂的漿料中，樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％～15％，導(dǎo)電添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％～10％，其余為溶劑。

所述的柔性石墨紙為市售石墨紙，其厚度為0.1mm～5.0mm。

所述的柔性石墨紙與增強(qiáng)骨架層疊方式為交替疊加，形成石墨紙/骨架/石墨紙、石墨紙/骨架/石墨紙/骨架/石墨紙奇數(shù)層，保持層疊體的上、下表面為柔性石墨紙。

所述的柔性石墨雙極板的制備方法，包括配置導(dǎo)電骨架處理漿料、導(dǎo)電增強(qiáng)骨架預(yù)處理、柔性石墨紙與改性后導(dǎo)電骨架層疊體進(jìn)行加熱和模壓過程，由含有導(dǎo)電添加劑和樹脂的漿料經(jīng)涂布工藝涂覆于導(dǎo)電增強(qiáng)骨架表面，經(jīng)過干燥和輥壓獲得改性導(dǎo)電增強(qiáng)骨架，將柔性石墨紙與改性導(dǎo)電增強(qiáng)骨架層疊，經(jīng)模壓獲得具有導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度的電池用雙極板。

所述的配置處理漿料，首先將樹脂在溶劑中溶解完全，然后加入導(dǎo)電添加劑，攪拌至分散均勻；

所述的導(dǎo)電增強(qiáng)骨架預(yù)處理，首先導(dǎo)電增強(qiáng)骨架在使用前經(jīng)過輥壓調(diào)整厚度，經(jīng)過去離子水、乙醇、丙酮溶劑之一種或兩種以上中超聲清洗；然后采用浸漬涂覆或噴涂，或者可以使?jié){料在導(dǎo)電增強(qiáng)骨架表面均勻分散的其它工藝，將改性導(dǎo)電增強(qiáng)骨架漿料涂覆于導(dǎo)電增強(qiáng)骨架表面。

所述的柔性石墨紙與改性后導(dǎo)電骨架的層疊體，在120℃～260℃下預(yù)熱3分鐘～30分鐘后，在20MPa～160MPa下壓制5min～60min。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：