[發明專利]一種液流電池用可焊接雙極板及其制備和應用

在審

• 申請號: 201811451354.2
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN111261891A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 劉濤;李先鋒;張華民
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/0234
• 分類號: H01M8/0234;H01M8/0239;H01M8/0245;H01M8/0273;H01M8/0286;H01M8/18;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種液流電池用可焊接雙極板及其制備和應用，其包括由高密度聚乙烯、碳納米管、偶聯劑以及潤滑劑組成的主體層，并于主體層上下表面中部用于與電極接觸區域分別設有高導電涂層。該雙極板在與電極材料接觸區域具有較高的電導率和低的接觸電阻，有利于減小電池的歐姆極化，提高電池的電壓效率；和電極框接觸區域具有較高的聚合物含量，進行焊接時可以保證足夠高的焊接強度，保證電堆的密封可靠性。

技術領域

本發明涉及化學儲能技術中的液流電池領域，特別涉及液流電池的雙極板及其制備方法。

背景技術

全釩液流電池因其具有輸出功率和容量相互獨立，系統設計靈活；能量效率高，壽命長，運行穩定性和可靠性高，自放電低；選址自由度大，無污染、維護簡單，運營成本低，安全性高等優點，在規模儲能方面具有廣闊的發展前景，被認為是解決太陽能、風能等可再生能源發電系統隨機性和間歇性非穩態特征的有效方法，在可再生能源發電和智能電網建設中有著重大需求。

雙極板作為液流電池的關鍵部件，起著將單電池串聯起來組成電堆的作用，需要具有良好的導電性、阻液性、化學穩定性以及一定的機械強度。目前主要用到的雙極板材料為硬質石墨板和碳塑復合材料。硬質石墨板具有電導率高、阻液性和化學穩定性好的特點，但高成本、機械性能差限制了其實際應用。碳塑復合材料是目前廣受關注的一種雙極板材料，主要優點是加工簡單，成本低廉，易于實現大規模生產。然而，這種材料導電性較差，為了提高導電性，需要提高材料中的導電填料含量。而導電填料含量過高會使復合板變脆，不宜于電堆組裝。

此外，目前液流電池的密封主要是采用氟橡膠線密封或面密封的方式，不僅成本高，而且可靠性差，橡膠老化后容易發生泄漏。因此，采取超聲焊或者激光焊的方法將雙極板和電極框焊接在一起是一種很好的解決辦法。然而，高導電填料含量的復合板使用激光焊、超聲焊等方式與電極框焊接時焊接強度不夠高。因此，有必要研制高導電性低導電填料含量的碳塑復合雙極板。

液流電池為追求高功率密度，要求低電池內阻，因此對雙極板的體電導率以及電極與雙極板間的接觸電阻有較高要求。而要提高體電導率，則要提高導電填料的含量。為制備體電導率高于5S/cm的碳塑復合雙極板材料，通常導電填料的質量分數要達到50％以上，此時由于聚合物基體中含有大量的導電填料，在使用激光焊、超聲焊等方式與電極框焊接時焊接強度不夠高，無法起到密封的作用。因此，要保證高的焊接強度，就要保證足夠高的聚合物含量。然而，這樣的雙極板材料導電性較差，尤其是由于含有較多的不導電聚合物，使得雙極板表面由導電顆粒和大部分不導電聚合物組成，多孔電極與其接觸時，一部分接觸點是接觸到不導電聚合物上的，無法形成導電通路，從而造成雙極板與電極材料的接觸電阻較大，增大了電池的歐姆內阻，降低了電池性能。

發明內容

本發明旨在提供一種具有高導電性、高韌性、低導電填料含量、低接觸電阻、高焊接強度的液流電池用雙極板及其制備方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：本發明提供的雙極板如圖1所示，包括主體層1，其是由高密度聚乙烯、碳納米管、偶聯劑以及潤滑劑組成的碳塑復合板，主體層上下表面中部用于與電極接觸區域分別設有高導電涂層2和3。

主體層厚度為0.2-1mm，主體層中，高密度聚乙烯的質量分數為65-85％，碳納米管的質量分數為13-33％，偶聯劑的質量分數為0.1％-2％，潤滑劑的質量分數為0.1-2％；優選的，高密度聚乙烯的質量分數為71-83％，碳納米管的質量分數為15-25％，偶聯劑的質量分數為1％-2％，潤滑劑的質量分數為1-2％；

上下表面的高導電涂層厚度為1-1000μm，優選1-100μm，高導電涂層由碳粉和粘結劑的混合物組成；所述碳粉為石墨粉、膨脹石墨粉、碳黑、碳纖維粉末、石墨烯中的一種或二種以上；所述粘結劑為聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一種或二種；碳粉和粘結劑的質量比為7/1～100/1，優選9/1～20/1。

其中，