[发明专利]复合导电板及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种复合导电板及其制备方法和应用，所述复合导电板包括以下重量份数的各组分：碳材料1‑40份；树脂40‑99份；增强纤维0‑20份。本发明的液流电池用复合导电板中碳含量比较低，在40％以下，但其导电性能却十分优良，机械强度也比较好，加工工艺比较简单，有希望实现工业化的生产。其面比电阻在5mΩ˙cm²～50mΩ˙cm²，弯曲强度在80‑120MPa；单电池测试中，在电流密度为100mA/cm²时，电池能量效率在79％～89％。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种复合导电板及其制备方法和应用。

背景技术

全钒液流电池是通过正负极电解液中不同价态钒离子的电化学反应来实现电能和化学能互相转化的储能装置，对电网能起到“削峰填谷”的作用，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的关键技术。普通的液流电池电堆基本包括双极板、板框、电解液、碳毡和质子交换膜这几部分，其中双极板是决定电池性能效率和成本的主要因素之一(Jaeheon Choe,Jun Woo Lim,Minkook Kim,Jinwhan Kim,Dai GilLee.Durability of graphite coated carbon composite bipolar plates forvanadium redox flow batteries[J].Composite Structures,Volume 134,2015,pp.106-113)。双极板是收集传导电流，分隔正负极电解液的导电隔板，通常要求它化学性能稳定，能够耐酸耐氧化；同时需要较好的机械强度，要求不易弯曲破坏；而且还需要导电性能好，自身电阻小以及与碳毡接触的电阻小，因而采用面比内阻来衡量；制造简单；成本低廉；使用寿命长等。

目前液流电池常用的双极板材料有：金属类、石墨类和碳素复合板类。其中金属类耐酸耐氧化等性能差，研究和应用均受到了一定的限制；石墨板的导电性能好，但机械强度不足，在使用过程中容易发生脆断现象，造成电池失效；碳素复合材料是如今双极板的主要研究方向，主要由有机材料和碳材料复合而成。有机材料主要有热塑性材料和热固性材料两种，热塑性材料有聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯硫醚(PPS)、丙烯酸树脂(TAR)等，热固性材料有乙烯基酯树脂(VE)、酚醛树脂(PF)、环氧树脂(EP)、聚酰亚胺(PI)和酚醛环氧树脂等(吴旭冉,廖斯达,李冰洋,洪为臣,王保国.液流电池理论与技术——碳纤维增强型复合材料双极板研究[J].储能科学与技术,2014,3(03):283-287.)。碳材料主要有炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、热解碳和膨胀石墨等。碳材料与有机材料在提升双极板性能方面存在矛盾：高的碳含量会使得导电性能提高，但双极板的机械强度会下降，而高的有机材料含量在使得机械强度上升的同时，却降低了双极板的导电性能。因而一般的双极板碳含量都有一个“阈值”(碳含量低于此值导电性能急剧下降)，如膨胀石墨(由鳞片石墨加工膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质)的质量含量“阈值”为55％左右(徐冬清,范永生,刘平,王保国.全钒液流电池复合材料双极板研究[J].高校化学工程学报,2011,25(02):308-313.)。

2013年韩国科学技术院的Ki Hyun Kim等人，将平纹碳纤维预浸料跟厚度为120μm的碳纸(expanded graphite foils)进行热压的方法来得到平均厚度约为0.41mm的双极板，ASR为130～150mΩ˙cm²；制成的双极板在80mA/cm²的电流密度下能量效率约为86％，然而机械强度并不够高(Ki Hyun Kim,Bu Gi Kim,Dai Gil Lee.Development of carboncomposite bipolar plate(BP)for vanadium redox flow batteries(VRFB)[J].Composite Structures,Volume 109,2014,pp.253-259)。