一种液流电池用复合双极板及其制备方法与流程

本发明属于液流电池，具体涉及一种液流电池用复合双极板及其制备方法。

背景技术：

1、液流电池是一种新型环保化学储能电池，具有能量转换效率高、选址方便、运行安全、使用寿命长等优点，具有广泛的应用前景。双极板作为液流电池的主要部件，主要起到连接支撑电堆中各电池单元的正负极、收集电子并隔绝正负电解液的作用，所以需要双极板要具有较好的导电性、较低的接触电阻，能耐受电解液腐蚀，具有较好的阻隔性能。传统双极板通常使用石墨或碳塑复合材料通过模压或挤出等方法加工成型，石墨双极板虽然导电性能好，但加工难度大，机械性能差，成本高，而碳塑复合材料双极板虽然机械强度好、成本低、易加工，但是导电性能不如石墨双极板，与电极的接触电阻也大。现有技术通过在双极板中设置金属网、碳纤维布等力求形成导电网络，或者在双极板表面设置导电层以降低接触电阻，并公布了相应的制备方法，但都不能形成连续化生产，也无法保证网络材料或涂层与双极板基材的充分结合，且涂层只起到降低接触电阻的作用，功能单一。cn201811026544.x、cn201110459942.2公布的技术方案是把碳毡和双极板材料热压在一起，以降低接触电阻，但是热压工艺会严重破坏碳毡的孔隙结构、改变孔隙率，极大影响电解液在碳毡电极孔隙之间的均匀、充分流动。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种液流电池用复合双极板及其制备方法。该方法制备得到的液流电池用双极板具有机械强度高、导电性能好、接触电阻低，能提高电池电解液反应效率，减少副反应的发生，同时大大减小双极板热收缩率，可应用于热熔焊、激光焊以及机械密封等多场景。另外本发明提供的制备方法可实现连续化生产，生产效率高、产品质量稳定、生产成本低。

2、本发明的技术方案是：

3、一种液流电池用复合双极板，包括热塑性导电塑料层、碳材料表面毡、负极碳材料涂层和正极碳材料涂层，所述热塑性导电塑料层是由质量份数为32％～63％的热塑性树脂、35％～65％的导电碳材料粉末、0.5％～2％的稀土铝钛复合偶联剂、0.1％～0.5％的抗氧剂、0.3％～1.5％的润滑剂组成；

4、所述碳材料表面毡分别位于所述热塑性导电塑料层的两侧，所述碳材料表面毡的厚度为0.05mm～0.15mm；

5、所述负极碳材料涂层和正极碳材料涂层分别位于所述碳材料表面毡的两侧，所述负极碳材料涂层是由质量份数为92％～95.5％的导电炭黑粉末、1％～3％的低分子量聚异丁烯、3％～5％的eea树脂粉末、0.5％～1.5％的氯化锡粉末组成；所述正极碳材料涂层是由质量份数为11％～35％的导电炭黑粉末、60％～80％的鳞片石墨粉末、1％～3％的低分子量聚异丁烯、3％～5％的eea树脂粉末、0.5％～1.5％的氯化锡粉末和0.3％～1％的二氧化钛粉末组成；

6、所述低分子量聚异丁烯的数均分子量为1000～2000；

7、所述eea树脂中ea的重量百分比为20％～30％。

8、进一步的，上述的一种液流电池用复合双极板，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚1-丁烯、聚1-戊烯、pvdf、poe、tpv、epdm中的一种或两种以上，优选质量份数为80％～95％的高密度聚乙烯或聚丙烯和5％～20％的poe或tpv的组合物。

9、进一步的，上述的一种液流电池用复合双极板，所述导电碳材料粉末为炭黑、鳞片石墨、碳纤维粉末中的一种或两种以上。

10、进一步的，上述的一种液流电池用复合双极板，所述碳材料表面毡为石墨化的pan表面毡或碳纤维表面毡。

11、进一步的，上述的一种液流电池用复合双极板，所述负极碳材料涂层和正极碳材料涂层的厚度均为0.02mm～0.06mm。

12、上述的一种液流电池用复合双极板的制备方法，包括如下步骤：

13、步骤1、按比例称取热塑性树脂、导电碳材料粉末、稀土铝钛复合偶联剂、抗氧剂和润滑剂加入到密炼机中进行密炼，一段密炼温度为80℃～135℃，一段转子转速为60r/min～80r/min，一段密炼时间为5min～10min；二段密炼温度为170℃～235℃，二段转子转速为30r/min～50r/min，二段密炼时间为5min～15min；密炼好的物料冷却后用筛网孔径为8mm～10mm的破碎机进行破碎，得到破碎料；

14、步骤2、按比例将导电炭黑粉末、低分子量聚异丁烯、eea树脂粉末、氯化锡粉末加入到高速混合机中进行混合得到负极碳材料涂层混料，混合机转速为1200r/min～1800r/min；按比例将导电炭黑粉末、鳞片石墨粉末、低分子量聚异丁烯、eea树脂粉末、氯化锡粉末和二氧化钛粉末加入到高速混合机中进行混合得到正极碳材料涂层混料，混合机转速为1200r/min～1800r/min；

15、步骤3、将步骤1得到的破碎料加入到双螺杆挤出机中，并通过与挤出机相连的片材挤出模具挤出成型片材坯料，双螺杆挤出机螺杆长径比为48:1～40:1，机筒温度为160℃～235℃，模具温度为235℃～260℃，螺杆转数为40r/min～90r/min；

16、步骤4、把碳材料表面毡分别贴覆于步骤3挤出的片材坯料两面，再在碳材料表面毡外侧垫一层0.05mm～0.08mm厚的pet膜或ptfe膜，然后用一对热辊对碳材料表面毡与片材坯料进行挤压，辊温为150℃～190℃，热辊间隙为片材坯料厚度的80％～90％；片材通过热辊间隙后将pet膜或ptfe膜撕下去除；

17、步骤5、将步骤2混好的正、负极碳材料涂层混料分别加入到正、负极狭缝粉末喷涂机中，通过喷头对步骤4复合后的片材进行粉末喷涂，狭缝为0.1mm～1mm，喷涂气压为0.05mpa～0.2mpa，然后再用一对冷辊对喷涂后的片材涂层进行压实，冷辊温度为50℃～70℃；

18、步骤6、喷涂冷压后的片材依次通过定型辊、张紧辊、牵引辊、裁切机后得到双极板。

19、进一步的，上述的一种液流电池用复合双极板的制备方法，所述热辊和冷辊的转速相同，所述牵引辊为力矩控制，力矩为9nm～11nm。

20、本发明的优点及有益效果：

21、1、采用双金属中心原子结构的钛铝复合偶联剂，而不是简单的将酞酸酯和铝酸脂混合，相对于传统偶联剂具有更加优异的偶联效果，大大提高导电碳材料无机物与聚合物的相容性。

22、2、采用适当分子量的聚异丁烯和适当ea含量的eea作为粘合剂，相对于现有技术的pvdf等树脂具有熔点低、与聚合物和碳填料等无机物的粘结性好、化学稳定性好的特点。

23、3、双极板正负极碳材料涂层的组成是根据电池正负极对应副反应机理不同而单独设计的，采用不同的材料及配方，提高负极析氢过电位和正极析氧过电位，降低负极析氢、正极析氧副反应的发生，同时正极碳材料中的石墨和二氧化钛还可以降低正极碳氧化副反应的发生，而现有技术没有区分正负极材料，不具备降低电池副反应发生的功能。

24、4、热塑性导电塑料的密炼工艺分为两段进行，第一段温度低速度快，有利于助剂与导电填料充分混合、浸润，第二段温度高、速度慢，避免因为剪切过大造成树脂材料降解，同时避免密炼机因扭矩过大而损坏。

25、5、采用pet膜或ptfe膜作为垫层，对双极板片材熔融坯料和碳材料表面毡进行热压，热压后将pet膜或ptfe膜剥离，避免了熔融坯料粘热辊，保证了片材坯料表面平整，保证了涂层材料的喷涂。

26、6、采用热辊挤压的方式将熔融坯料和碳材料表面毡进行覆合，既保证了熔融的导电塑料材料充分填充到表面毡内部，使表面毡完全浸润到导电塑料片材坯料中，同时又可连续化生产，相对于模压工艺具有生产效率高、制造成本低、产品规格尺寸灵活的优点。

27、7、狭缝喷涂喷头的缝隙、宽度均可调整，可连续也可间歇式喷涂且喷涂间歇时间可调，这样就可以在双极板表面形成不同大小的涂层，以适应不同尺寸电极的使用要求。