专利名称：一种钒电池用高导电率双极板的制备方法
技术领域：
本发明涉及电池制造及能量存储领域,具体为一种钒电池用高导电率双极(集 流)板的制备方法。
背景技术：
钒电池，全称为全執离子氧化还原液流电池，是一种新型绿色环保电池。其能量以正负极电解液的形式储存，正负极反应分别为正极反应 V02+ +2tf +e-—V02+ +H20E0= 1 .OOV 负极反应 V3++e、V2+ Eo=-0.26V正负极电解液各由一个泵驱动，在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和 氧化反应，完成充放电。电池充放电的电流由双极(集流)板传导并最终集流出 来。因此，双极(集流)板是钒电池运行的一个必要部分，是钒电池系统的关键 材料之一。导电性好，强度高，制备工艺简单是钒电池进入实用化阶段对双极(集 流)板的要求。至今为止，作为钒电池双极(集流)板材料的主要有金属类、石墨类和导 电塑料类。金属类由于长期使用的不耐腐蚀(特别是正极侧)，目前尚不能实用； 石墨类导电性好，但也存在充放电循环过程中，正极侧腐蚀剥落的现象，而且机 械强度差，易碎而导致正负极溶液混合。导电塑料主要是把高分子物质，如聚乙烯(PE),聚丙烯(PP),聚氯乙稀(PVC) 等以一定的比例与导电剂(乙炔黑，石墨粉，炭黑)混合、热压成型。这种材料 用于钒电池的研究已引起国内外的关注，也是近年双极(集流)板研究的热点， 大都釆用提高配方中导电添加剂的含量来提高电导率。因此配方原材料在成型前 的均匀混合是一个关键步骤。目前釆用常规的高温混炼进行原材料的混合，再通 过热压成型方法制备需要的导电塑料双极(集流)板，但该过程中需要一定的混 炼温度(140-180°C ),这样在配方中高分子成分含量较低的前提下，混炼温度很 容易使树脂氧化，引起聚合长链的解体，进而导致材料机械性能的下降，使用寿 命的降低。 发明内容本发明针对以上问题，提出一种钒电池用高导电率双极(集流)板的制备方 法，解决常规的高温混炼容易使树脂氧化，引起聚合长链的解体，进而导致材料 机械性能的下降，使用寿命的,氐等问题。它是导电塑料的简易的室温混合工艺，避免高温混炼，成型后的导电塑料双极(集流)板电阻率达到0.2-0.5Q.cm，满足 使用需要。本发明的技术方案为一种钒电池用高导电率双极(集流)板的制备方法，以导电剂与高分子树脂 粉末为导电塑料原料，釆用易挥发5豁'j为分散介质，在搅拌下使树脂材料和导电 剂充分混合，然后抽滤，抽滤至无溶剂滴出；将混合物烘箱烘干，置于模具中热 压成型。本发明所釆用的导电塑料原料各组分的重量百分数为 导电剂 10 80; 高分子树脂粉末 20—0; 以上个组分质量之和满足100。本发明中，高分子树脂粉末可以釆用PE, PP, PVC等高分子树脂粉末中的 一种或几种，若釆用两种或三种以上的混合物，则比例为任意比。本发明中，高分子树脂PE, PP， PVC的粉末粒度为10,-500,。本发明中，导电剂以导电碳黑为主剂，石墨粉、乙炔黑为辅剂，辅剂可任选 一种或不选。当选择石墨粉与导电碳黑时，二者最佳质量比为1: 2(K1: 1,这时 导电剂占总质量的最佳质量百分数为20~80。当选择乙炔黑与导电碳黑时，二 者最佳质量比为l: 20 1: 1,这时导电剂占总质量的最佳质量百分数为10 50。本发明中，导电碳黑粒度为10Mm-500pm,石墨粉粒度为100,-800,,乙 炔黑粒度为10pm-100pm。本发明中，分散介质为乙醇、水、丙酮等一种或几种，若釆用两种或三种以 上的混合物，则比例为任意比。本发明中，分散过程中，搅拌速度为200-2000转/分，搅拌时间为间为0.24h， 抽滤时间为(X5-3h。本发明中，烘干温度为20-10(TC，烘千至质量不变。本发明中，热压成型的压力为l-25MPa,最佳范围为5-20MPa;温度为80~200 °C,最佳范围为100 170°C。 本发明的制备方法如下
1、 按上述比例将导电剂、高分子树脂粉末加入到容器中，然后加入分散介质。 用分散机充分搅拌，控制搅拌速度，先慢后快。
2、 搅拌完成后，将混合物于漏斗中进行抽滤。抽滤后的混合物，置于烘箱中 恒温烘干至质量不变。
3、 将烘干的粉末置于模具中，平板硫化机热压成型。
本发明的优点
1 、本发明的导电塑料双极(集流)板制备工艺先将导电剂与高分子树脂粉末 在液体分散介质中均匀混合，除去介质后得到二者的均匀混合物，直接进行加热 模压，制备钒电池双极(集流)板。其工艺简单，操作容易，原料混合均勾，极 板导电性优良，可以获得电阻率为0.2-0.5acm的导电塑料双极(集流)板，符 ^4凡电池的使用指标。
2、 本发明的导电塑料双极(集流)板制备工艺，避免了原料熔融混炼导致的 高分子的氧化，使双极(集流)板具有较长的使用寿命。
3、 本发明的导电塑料双极(集流)板制备工艺，混M质可重复使用，不对 环境产生污染，属环保型工艺。可进行工程化应用，开拓了钒电池用导电双极(集 流)板制备的新途径。
图l为本发明的制备工艺流程图。
具体实施例方式
如图l所示，本发明制备工艺流程是导电剂、高分子(树脂)粉末、分散 介质均匀混合后，经搅拌分散、抽滤、烘干、模压形成导电塑料双极(集流)板。 实施例
原料质量比如下
PE 30 (粒度范围50 80(om)
导电碳黑 70 (粒度范围20 50|om)
将二者总质量为100g,置于500ml乙醇中，搅拌itt800转/分，搅拌lh。 然后抽滤lh,抽滤至(漏斗中)无溶剂滴出。将抽滤后的混合物于70。C烘干至质 量不变。15MPa下，100。C 12(TC热压成型。
制备的导电双极(集流)板的体积电阻率为0.5acm。作为钒电池正负极集 流板，电池充放电性能参数为库仑效率90%，能量效率63%，电压效率70%。
实施例2
原料质量比如下
PE 30 (粒度范围100 150(om)
导电碳黑 60 (粒度范围20~50|om) 石墨粉 10(粒度200拜)
将三者总质量为100g,置于乙醇与水(500ml)中，本实施例乙醇与水的体 积比为l: 1，搅拌速度1000转/分，搅拌lh。然后抽滤lh,抽滤至无溶剂滴出。 将抽滤后的混合物于70'C烘干至质量不变。15MPa下，11(TC 13(TC热压成型。
制备的导电双极(集流)板的体积电阻率为0.2acm。作为钒电池正负极集 流板，电池充放电性能参数为库仑效率93%,能量效率74%,电压效率80%。
实施例3
原料质量比如下
PE 30 (粒度范围100~150拜)
导电碳黑 60 (粒度范围20~50(jm) 乙炔黑 10(粒度20nm)
将三者总质量为100g，置于500ml乙醇中，搅拌速度800转/分，搅拌lh。 然后抽滤lh，抽滤至无溶剂滴出。将抽滤后的混合物于7(TC烘干至质量不变。15 MPa下，110。C 13(TC热压成型。
制备的导电双极(集流)板的体积电阻率为0.5Q.Cm。作为钒电池正负极集 流板，电池充放电性能参数为库仑效率92%,能量效率70%,电压效率76%。
实施例4
原料质量比如下
PP 25 (粒度范围150 200fom)
导电碳黑 75 (粒度范围50~80,)
将二者总质量为100g，置于500ml乙醇中，搅拌 800转/分，搅拌lh。 然后抽滤lh,抽滤至无溶剂滴出。将抽滤后的混合物于70'C烘干至质量不变。15 MPa下，13(TC 150。C热压成型。
制备的导电双极(集流)板的体积电阻率为0.5Q,cm。作为钒电池正负极集 流板，电池充放电性能参数为库仑效率90%,能量效率63%,电压效率70%。
实施例5
原料质量比如下
PP 23 (粒度范围150 200pm)
导电碳黑 70 (粒度范围50 80阿) 石墨粉 7(粒度300阿)
将三者总质量为100g,置于乙醇与水的混合物(500ml)中，本实施例乙醇 与水的体积比为2: 1,搅拌逸度1000转/分，搅拌lh。然后抽滤lh,抽滤至无 溶剂滴出。将抽滤后的混合物于80。C烘干至质量不变。20MPa下，130。C 17(TC 热压成型。
制备的导电双极(集流)板的体积电阻率为03acm。作为钒电池正负极集 流板，电池充放电性能参数为库仑效率92%,能量效率71%，电压效率77%。 实施例6 原料质量比如下
PP 30 (粒度范围15(K200拜)
导电碳黑 50 (粒度范围100~200(om) 乙炔黑 20(粒度100jjm)
将三者总质量为100g，置于丙酮与水的混合物(500ml)中，本实施例丙酮 与水的体积比为1: 1，搅拌速度1500转/分，搅拌lh。然后抽滤lh，抽滤至无 溶剂滴出。将抽滤后的混合物于80'C烘干至质量不变。20MPa下，12(TC 160。C
热压成型。
制备的导电双极(集流)板的体积电阻率为0.3acm。作为钒电池正负极集 流板，电池充放电性能参数为库仑效率92%,能量效率70%，电压效率76%。 实施例7 原料质量比如下
PVC 30 (粒度范围300~500,)
导电碳黑 70 (粒度范围300~500拜)
将二者总质量为100g,置于500ml乙醇中，搅拌速度1200转/分，搅拌lh。 然后抽滤lh,抽滤至无溶剂滴出。将抽滤后的混合物于7CrC烘干至质量不变。20 MPa下，120。C 150。C热压成型。
制备的导电双极(集流)板的体积电阻率为0.2acm。作为钒电池正负极集 流板，电池充放电性能参数为库仑效率93%，能量效率70%,电压效率75%。
实施例8
原料质量比如下
PVC 40 (粒度范围200 300pm)
导电碳黑 50 (粒度范围200~300,) 石墨粉10 (粒度200pm)
将三者总质量为100g,置于乙醇与水的混合物(500ml)中，本实施例乙醇
与水的体积比为3: 1，搅拌體1000转/分，搅拌lh。然后抽滤lh，抽滤至无 溶剂滴出。将抽滤后的混合物于8(TC烘干至质量不变。20MPa下，130。C 16(TC
热压成型。
制备的导电双极(集流)板的体积电阻率为0.5acm。作为钒电池正负极集 流板，电池充放电性能参数为库仑效率90%,能量效率70%，电压效率63%。 实施例9 原料质量比如下
PVC 30 (粒度范围200~300拜)
导电碳黑 50 (粒度范围30(K500)im) 乙炔黑 20(粒度80)jm)
将三者总质量为100g,置于丙酮与水的混合物(500ml)中，本实施例丙酮 与水的体积比为3: 1，搅拌速度1500转/分，搅拌lh。然后抽滤lh,抽滤至无 溶剂滴出。将抽滤后的混合物于8(TC烘干至质量不变。20MPa下，130°C 160°C
热压成型。
制备的导电双极(集流)板的体积电阻率为0.3Q.cm。作为钒电池正负极集 流板，电池充放电性能参数为库仑效率92%，能量效率70%,电压效率76%。
权利要求
1、一种钒电池用高导电率双极板的制备方法，其特征在于以导电剂与高分子树脂粉末为导电塑料原料，采用易挥发溶剂为分散介质，在搅拌下使高分子树脂和导电剂充分混合，然后抽滤，抽滤至无溶剂滴出；将混合物于烘箱烘干，再置于模具中热压成型。
2、 按照权利要求1所述的钒电池用高导电率双极板的制备方法，其特征在于， 导电塑料原料各组分的重量百分数为导电剂1(^80;高分子树脂粉末2(K90; 以上个组分质量之和满足100。
3、 按照权利要求2所述的钒电池用高导电率双极板的制备方法,其特征在于: 高分子树脂粉末釆用PE、 PP、 PVC中的一种或几种，若釆用两种或三种的混合 物，则其比例为任意比。
4、 按照权利要求2所述的钒电池用高导电率双极板的制备方法，其特征在于: 导电剂以导电碳黑为主剂，石墨粉、乙炔黑为辅剂，辅剂不选或任选一种。
5、 按照权利要求4所述的钒电池用高导电率双极板的制备方法,其特征在于: 当选择石墨粉与导电碳黑为导电剂时，二者质量比为l: 2(M: 1,这时导电剂占 总质量的质量百分数为20~80;当选择乙炔黑与导电碳黑时，二者质量比为1: 20~1: 1，这时导电剂占总质量的质量百分数为10 50。
6、 按照权利要求1所述的钒电池用高导电率双极板的制备方法,其特征在于 分散介质为乙醇、水、丙酮中的一种或几种，若釆用两种或三种的混合物，则比 例为任意比。
7、 按照权利要求1所述的钒电池用高导电率双极板的制备方法,其特征在于: 在搅拌分散过程中，搅拌速度为200-2000转/分，搅拌时间为间为0.2 4h,抽滤 时间为0.5-3h。
8、 按照权利要求1所述的钒电池用高导电率双极板的制备方法，其特征在于: 烘干温度为20-10(TC,烘干至质量不变。
9、 按照权利要求1所述的钒电池用高导电率双极板的制备方法,其特征在于: 热压成型的压力为l-25MPa,热压成型的温度为80 200°C。
全文摘要
本发明涉及电池制造及能量存储领域，具体为一种钒电池用高导电率双极(集流)板的制备方法，解决常规的高温混炼容易使树脂氧化，引起聚合长链的解体，进而导致材料机械性能的下降，使用寿命的降低等问题。以导电剂与高分子树脂粉末为导电塑料原料，采用易挥发溶剂为分散介质，在搅拌下使高分子树脂和导电剂充分混合，然后抽滤，将混合物于烘箱烘干，再置于模具中热压成型。本发明先将导电剂与高分子树脂粉末在液体分散介质中均匀混合，除去介质后得到二者的均匀混合物，直接进行加热模压，制备钒电池双极(集流)板。其工艺方法简单，操作容易，物料混合均匀，可以获得电阻率为0.2-0.5Ω·cm的导电塑料双极(集流)板，符合钒电池的使用指标。
文档编号H01M4/88GK101399331SQ200710012969
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月26日 优先权日2007年9月26日
发明者严川伟, 刘建国, 张海玉, 阅 门, 晖 陈 申请人:中国科学院金属研究所