釩電池及其端集流板、雙集流板以及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氧化還原液流電池，具體涉及一種全釩氧化還原液流電池的端、雙集流板及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，全釩氧化還原液流電池(釩電池)作為一種新型的二次電池，與其他蓄電池相比，具有充放電速度快、深放電性能好、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，在風(fēng)能和太陽能發(fā)電的儲能電源以及邊遠地區(qū)儲能系統(tǒng)、電廠(電站)調(diào)峰、不間斷電源(UPS)或應(yīng)急電源系統(tǒng)(EPS)等領(lǐng)域均存在廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]影響全釩氧化還原液流電池性能的影響全釩氧化還原液流電池性能的主要因素有膜、電解液及電極材料等，全釩氧化還原液流電池由端電極、集流體(多為多孔疏松導(dǎo)電材料)、隔膜、集流體、電極、集流體(單電池可以沒有該部分)、隔膜、集流體、端電極雙組成一個完整的電池并依順序平行疊放，并施加一定的壓力使各組成部分緊貼，形成一個完整的單電池。在電池的充放電過程中，充放電反應(yīng)在導(dǎo)電塑料條和與其緊貼的電極上進行，電流經(jīng)由端電極、集流體、膜、集流體、電極、集流體、膜、端電極，最后由與端電極復(fù)合在一起的銅片導(dǎo)出。目前使用的電極材料主要包括金、鈦、鉛、鈦基鉑和氧化銥等金屬類電極以及碳素、石墨等非金屬類電極。研宄結(jié)果表明，金屬類電極的成本太高，長期使用后容易發(fā)生鈍化，降低電池性能；而非金屬類單一電極的刻蝕現(xiàn)象嚴重。高分子導(dǎo)電復(fù)合電極是一種新型的電化學(xué)性能好又不易刻蝕的全釩氧化還原液流電池電極。它是由高分子材料中加入另外一種導(dǎo)電填料或?qū)щ娋酆衔铮玫礁叻肿訉?dǎo)電復(fù)材料，然后與石墨氈等集流體復(fù)合。不僅具有導(dǎo)電功能，而且能保持高分子材料的特性，能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和力學(xué)性能。
[0004]據(jù)文獻報道，Haddad1-Asl、澳大利亞新南威爾士州的單一檢索有限公司、中南大學(xué)等用聚乙烯、尼龍、PP、聚氟乙烯等高分子聚合物與導(dǎo)電材料制備出的導(dǎo)電復(fù)合材料雖有良好的導(dǎo)電性但機械性能和成型性能不是特別的優(yōu)良。因此，目前國內(nèi)外在使用導(dǎo)電塑料作為集流體的時候通常將導(dǎo)電塑料制成平板形，在應(yīng)用到全釩氧化還原液流電池中時容易引起電解液在集流板中流動不順暢，整個流場中容易出現(xiàn)無電解液流經(jīng)的“死角”，電極極化嚴重。同時完全使用導(dǎo)電塑料的集流極的剛性和強度不大、易形變，致使全釩氧化還原液流電池很難密封，電池滲液嚴重。
[0005]為了改善電解液在電池中的流動，目前常用的方法是在電極上開槽、在溢流框上開槽或者在碳氈上開槽。而使用高分子導(dǎo)電材料制備的電極因為保證導(dǎo)電性能，其導(dǎo)電材料的添加會造成產(chǎn)品機械性能降低、可加工能力降低，而在溢流框上開槽，會對電池的密封帶來不小的麻煩，故在碳氈上開槽為目前許多釩電池研宄機構(gòu)選擇的增加電解液流動性能的手段。
[0006]目前，使用的碳氈常用的材料有聚丙烯腈材料、石墨材料等，但總體上因其材料的本質(zhì)特性其反應(yīng)活性不是太高，需進行處理，常見的處理方式有高溫焙燒、濃硫酸浸泡、電化學(xué)處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所解決的第一個技術(shù)問題是提供一種釩電池雙集流板的制備方法，包括以下步驟:
[0008]a、可固化樹脂預(yù)處理:可固化樹脂中加入丙酮混勻，再與固化劑混勻，其中，可固化樹脂與丙酮的體積比為1/4-1/2 ;
[0009]b、固化處理:在模具中放入第一活化碳纖維氈，加入預(yù)處理后的可固化樹脂，常溫下固化使得可固化樹脂處于未完全凝固態(tài)；
[0010]C、二次固化:再在固化處理后的第一活化碳纖維氈上放置第二活化碳纖維氈，常溫下于1.5-5千帕的壓力下保壓固化24-48小時即得釩電池雙集流板；
[0011]其中，第一活化碳纖維氈與第二活化碳纖維氈相同，均由以下方法處理得到:將碳纖維氈置于pH為2-4的硫酸中浸泡12-24小時后，然后用頻率為30_70khz的超聲波超聲10-30分鐘后，冷卻、洗滌烘干即可。
[0012]優(yōu)選的，活化碳纖維的處理方法中，用蒸餾水洗滌3-4次。
[0013]優(yōu)選的，步驟b中常溫下固化6-12小時。
[0014]優(yōu)選的，可固化樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。
[0015]驟b中，可固化樹脂層的厚度為0.8?1.7cm。
[0016]本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供了一種釩電池端集流板的方法，包括以下步驟:
[0017]a、可固化樹脂預(yù)處理:可固化樹脂中加入丙酮混勻，再與固化劑混勻，其中，可固化樹脂與丙酮的體積比為1/4-1/2 ;
[0018]b、固化處理:在模具中放入金屬片，加入預(yù)處理后的可固化樹脂，常溫下固化使得可固化樹脂處于未完全凝固態(tài)；
[0019]C、二次固化:再在固化處理后的金屬片上放置活化碳纖維氈，常溫下于1.5-5千帕的壓力下保壓固化24-48小時即得釩電池端集流板；
[0020]其中，活化碳纖維氈由以下方法處理得到:將碳纖維氈置于pH為2-4的硫酸中浸泡12-24小時后，然后用頻率為30-70khz的超聲波超聲10-30分鐘后，冷卻、洗滌烘干即可。
[0021]優(yōu)選的，步驟b中常溫固化6-12小時。
[0022]優(yōu)選的，步驟b中金屬片為銅片。
[0023]步驟b中，金屬片的厚度為可固化樹脂層厚度的1/3-1/2。
[0024]本發(fā)明所要解決的第三個技術(shù)問題是提供一種釩電池，所述釩電池包括電解液和隔膜，還包括上述方法制得的端集流板和雙集流板。
[0025]本發(fā)明的有益效果:
[0026]該發(fā)明制備的產(chǎn)品與現(xiàn)有產(chǎn)品比較具有以下優(yōu)點:
[0027]1.在常規(guī)增加碳氈反應(yīng)活性的方式上，使用超聲波，可以使碳氈的反應(yīng)活性增大、親水性增強、石墨化程度提高；超聲波獨特的作用原理，可以很好的提高碳氈的反應(yīng)活性(可在碳氈上引入活性基團)、除去碳氈在生產(chǎn)過程中引入的雜質(zhì)、提高碳氈的石墨化程度，可有效的簡化碳氈在目前的處理方式如濃硫酸處理方式帶來的操作危險大、高溫焙燒能耗大、電化學(xué)處理比較麻煩等缺陷。
[0028]2.其流場材料使用高分子材料，與常規(guī)使用導(dǎo)電高分子材料相比較，其機械性能、耐腐蝕性能更優(yōu)異，同時，因在流場材料中不添加價格比較昂貴的導(dǎo)電材料，可以極大的降低成本；使用純高分子材料替代，可以避免電池很難密封，電池滲液嚴重的問題。
[0029]3.在發(fā)明提供的方案中，將碳氈的分布劃分成3大塊，在進出液口電解液的的流動較好，采用整塊的碳氈，而在集流體的中間，使用總面積與進出口碳氈相同，但由數(shù)條碳氈條構(gòu)成，且碳氈與碳氈之間有一定的間距，這種方法在最大程度上保證了電池的有效反應(yīng)面積的同時，較在碳氈上開槽(碳氈為多孔疏松材料，在上面開的槽很容易在組裝中因施加的壓力變形，使開的槽變小、變窄，甚至消失，實際上對提高電解液在整個電池中的流動性能作用并不明顯)來提高電解液的流動性能和使用整個碳氈作為集流體而言，可以使電解液在整個電池中的流動更均勻和快速。
[0030]4.目前，大家采用的釩電池的組裝形式，端集流板的組裝依次為銅片、電極(常用導(dǎo)電塑料、石墨板)、集流體(碳氈)，雙集流板的組裝依次為集流體(碳氈)、電極(常用導(dǎo)電塑料、石墨板)、集流體(碳氈)，這些基本材料在裝配時是按照組裝電池的電池數(shù)一個個疊放，最后用固定裝置對其施壓、定位，從而形成電池。這種組裝方式因裝配中的基本材料太多，會造成裝配非常麻煩，同時也有因電極和集流體之間是彼此獨立，在電池反應(yīng)面積較大時，不能完全保證電極與集流體之間完全結(jié)合在一起，會在沒有接觸之處造成使釩電池內(nèi)阻增大，降低電池性能的問題。而該發(fā)明將常規(guī)釩電池的電極和集流體合成一體，可以非常有效的避免在釩電池的裝配中最容易出現(xiàn)的這兩種問題，可減少裝配程序和提高釩電池的性能。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為端集流板在圖1中A-A方向剖視圖；
[0033]圖3為雙集流板在圖1中A-A方向剖視圖；
[0034]圖中標記為:1.活化碳纖維氈、2.高分子流場板3.電解液流場溝槽、4.銅片、5.進液口、6.出液口。
【具體實施方式】
[0035]本發(fā)明所解決的第一個技術(shù)問題是提供一種釩電池雙集流板的制備方法，包括以下步驟:
[0036]a、可固化樹脂預(yù)處理:可固化樹脂中加入丙酮混勻，再與固化劑混勻，其中，可固化樹脂與丙酮的體積比為1/4-1/2 ;
[0037]b、固化處理:在模具中放入第一活化碳纖維氈，加入預(yù)處理后的可固化樹脂，常溫下固化使得可固化樹脂處于未完全凝固態(tài)；可固化樹脂層的厚度為0.8?1.7cm ;
[0038]C、二次固化:再在固化處理后的第一活化碳纖維氈上放置第二活化碳纖維氈，常溫下于1.5-5千帕的壓力下保壓固化24-48小時即得釩電池雙集流板；
[0039]其中，第一活化碳纖維氈與第二活化碳纖維氈相同，均由以下方法處理得到:將碳纖維氈置于pH為2-4的硫酸中浸泡12-24小時后，然后用頻率為30_70khz的超聲波超聲10-30分鐘后，冷卻、洗滌烘干即可。
[0040]優(yōu)選的，活化碳纖維的處理方法中，用蒸餾水洗滌3-4次。
[0041]優(yōu)選的，可固化樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。本發(fā)明中，可固化樹脂可以為能夠適用于釩電池環(huán)境中各種能夠固化的樹脂材料，例如，可固化樹脂可以為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；并且固化劑用于促使可固化樹脂固化，其可根據(jù)可固化樹脂的具體種類來確定。
[0042]釩電池雙集流板的方法具體為:按丙酮與可固化樹脂體積比為1/4-1/2稀釋可固化樹脂，再根據(jù)可固化樹脂的性質(zhì)加入適量的固化劑混合均勻后備用；將活化碳纖維氈條置于模具中，根據(jù)電池大小和所需高分子材料層的厚度(一般為0.8-2.0mm)加入稀釋后的可固化樹脂；再加入固化劑混合均勻后，在常溫下固化6-12小時(該步驟下，需保證可固化樹脂處于未完全凝固態(tài))，再在活化碳纖維氈上放置另一個碳纖維氈，常溫下于1.5-5千帕的壓力下保壓固化24-48小時即得釩電池雙集流板。
[0043]本發(fā)明中，固化劑的加入量使活化碳纖維氈與可固化樹脂結(jié)合牢固即可，按照本領(lǐng)域的常規(guī)添加量即可。
[0044]本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供了一種釩電池端集流板的方法，包括以下步驟:
[0045]a、可固化樹脂預(yù)處理:可固化樹脂中加入丙酮混勻，再與固化劑混勻，其中，可固化樹脂與丙酮的體積比為1/4-1/2 ;
[0046]b、固化處理:在模具中放入金屬片，加入預(yù)處理后的可固化樹脂，常溫下固化使得可固化樹脂處于未完全凝固態(tài)；預(yù)處理后的可固化樹脂的添加量為:金屬片的厚度為可固化樹脂層厚度的1/3-1/2 ;
[0047]C、二次固化:再在固化處理后的金屬片上放置活化碳纖維氈，常溫下于1.5-5千帕的壓力下保壓固化24-48小時即得釩電池端集流板；
[0048]其中，活化碳纖維氈由以下方法處理得到:將碳纖維氈置于pH為2-