一种异质复合石墨双极板及其制备方法与流程

本发明属于双极板，特别涉及一种异质复合石墨双极板及其制备方法。

背景技术：

1、目前各个企业和研究机构已经开发出各种材料的双极板，主要包括金属双极板、石墨双极板和复合材料双极板。金属双极板机械强度高，气密性高，可以通过冲压等机械加工方法成型超薄双极板，但是在液流电池工作状态下易发生电化学腐蚀，需要添加涂层等方法进行表面处理。石墨导电性、耐腐蚀性能好，但是机械强度差，需要较大厚度才能在保证气密性以及承压力。石墨双极板是在石墨板上进行机加工制造的带流道的双极板，应用最早，其电阻率低、耐腐蚀性能好，但加工困难，效率低，难以做薄减重，导致了其较低的功率密度和较高的加工成本。且其硬度较低，在加工和组装过程不可避免地留下加工痕迹，这些加工痕迹也会影响石墨双极板的气密性，进而对电池性能产生负面影响。碳基复合双极板以石墨聚合物复合材料作基体，机械强度和耐腐蚀性良好，可以采用挤出成型和模压成型的加工方法，适合批量生产，但是导电性、阻气性、结构强度等性能较难平衡。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明公开了一种异质复合石墨双极板，包括：导电区和绝缘区；

2、所述绝缘区设置于导电区两侧；

3、所述导电区的组分包括：树脂和导电材料；

4、所述绝缘区的组分包括：树脂和增强材料；

5、所述树脂为pp、pe或pvdf中的一种或多种；

6、所述增强材料为长玻璃纤维、短玻璃纤维、滑石粉、碳酸钙、石英粉、增韧剂或支化树脂中的一种或多种。

7、更进一步地，所述导电材料为多壁碳纳米管、碳纤维、超导电炉法碳黑和/或高导电性碳黑、导电鳞片石墨、导电膨胀石墨或支化炭黑中的一种或多种。

8、更进一步地，所述多壁碳纳米管、碳纤维的长度为1～100um，直径为1～50nm；

9、超导电炉法碳黑和/或高导电性碳黑、导电鳞片石墨、导电膨胀石墨、支化炭黑的直径为1～100um。

10、更进一步地，所述导电区的组分包括：以重量百分比计的树脂30％～60％、多壁碳纳米管2％～15％、碳纤维0％～10％、超导电炉法碳黑和/或高导电性碳黑0％～20％、导电鳞片石墨20％～35％、导电膨胀石墨0％～10％以及支化炭黑0％～10％。

11、更进一步地，所述绝缘区的组分包括：以重量百分比计的树脂40～80％、长玻璃纤维0～20％、短玻璃纤维0～20％、滑石粉0％～5％、碳酸钙0％～5％、石英粉0～20％、增韧剂0％～5％和支化树脂0～2％。

12、更进一步地，所述石墨双极板的厚度为0.6～3mm。

13、一种上述的异质复合石墨双极板的制备方法，包括以下步骤：

14、将树脂材料和导电材料按照配方配置石墨双极板导电区预制料，将预制料投入高速搅拌机中，混合设定时间，将混合物料投入混炼机或者双螺杆挤出机的进料口，在设定温度炼制设定时间后出料得到导电区融熔料；

15、将导电区融熔料填入模具中，在设定的温度和压力下进行压制，冷却得到导电板料；

16、将树脂材料和增强材料按照配方配置石墨双极板绝缘区预制料，将预制料投入高速搅拌机中，混合设定时间，将混合物料投入混炼机或者双螺杆挤出机的进料口，在设定温度炼制设定时间后出料得到绝缘区融熔料；

17、将绝缘区融熔料放入模具中，在设定的温度和压力下进行压制，冷却得到绝缘板料；

18、将导电板料和绝缘板料按需裁切，放置于模具腔体内并对齐，在设定温度和压力下进行压制，冷却得到石墨双极板。

19、更进一步地，所述预制料的炼制温度为170～210℃，炼制时间为2～15min。

20、更进一步地，所述压制的成型压力为20～50mpa，压制温度为170～210℃，热压时间为5～30min，保压时间为1～6h。

21、更进一步地，所述石墨双极板的温度从模具中取出前冷却至不超过70℃。

22、与现有技术相比，本发明的实施例至少具有以下优点：通过异质结构，分别满足复合石墨双极板对于成本、机械强度、加工特性、电阻、抗腐蚀特性等方面的要求，进而实现复合石墨双极板整体性能的优化。同时，导电流道区能够提升电解液的流动均匀性，降低极化，而绝缘区的设计能够优化液流电池板框区域的流道设计，从而实现液流电池堆体结构的优化，降低综合成本，提升整体性能。同时本发明工艺难度低，步骤简便，适用于大批量生产。

23、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

24、附图说明

25、为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

26、图1示出了根据本发明实施例的石墨双极板的示意图；

27、图2示出了根据本发明实施例的不带流道的双极板制备模具示意图；

28、图3示出了根据本发明实施例的复合石墨双极板流道示意图。

技术特征：

1.一种异质复合石墨双极板，其特征在于，包括：导电区(1)和绝缘区(2)；

2.根据权利要求1所述的异质复合石墨双极板，其特征在于，所述导电材料为多壁碳纳米管、碳纤维、超导电炉法碳黑和/或高导电性碳黑、导电鳞片石墨、导电膨胀石墨或支化炭黑中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的异质复合石墨双极板，其特征在于，所述多壁碳纳米管、碳纤维的长度为1～100um，直径为1～50nm；

4.根据权利要求1所述的异质复合石墨双极板，其特征在于，所述导电区(1)的组分包括：以重量百分比计的树脂30％～60％、多壁碳纳米管2％～15％、碳纤维0％～10％、超导电炉法碳黑和/或高导电性碳黑0％～20％、导电鳞片石墨20％～35％、导电膨胀石墨0％～10％以及支化炭黑0％～10％。

5.根据权利要求1所述的异质复合石墨双极板，其特征在于，所述绝缘区(2)的组分包括：以重量百分比计的树脂40～80％、长玻璃纤维0～20％、短玻璃纤维0～20％、滑石粉0％～5％、碳酸钙0％～5％、石英粉0～20％、增韧剂0％～5％和支化树脂0～2％。

6.根据权利要求1所述的异质复合石墨双极板，其特征在于，所述石墨双极板的厚度为0.6～3mm。

7.一种权利要求1-6任一项所述的异质复合石墨双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述预制料的炼制温度为170～210℃，炼制时间为2～15min。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述压制的成型压力为20～50mpa，压制温度为170～210℃，热压时间为5～30min，保压时间为1～6h。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述石墨双极板的温度从模具中取出前冷却至不超过70℃。

技术总结
本发明公开了一种异质复合石墨双极板及其制备方法，异质复合石墨双极板包括：导电区和绝缘区；所述绝缘区设置于导电区两侧；所述导电区的组分包括：树脂和导电材料；所述绝缘区的组分包括：树脂和增强材料；所述树脂为PP、PE或PVDF中的一种或多种；所述增强材料为长玻璃纤维、短玻璃纤维、滑石粉、碳酸钙、石英粉、增韧剂或支化树脂中的一种或多种。本发明通过异质结构，分别满足复合石墨双极板对于成本、机械强度、加工特性、电阻、抗腐蚀特性等方面的要求，进而实现复合石墨双极板整体性能的优化。

技术研发人员：曹金秀,李京浩,罗田,李思鹏,江小松,张瑾奕
受保护的技术使用者：北京和瑞储能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13