一种全钒液流电池用双极板板材及其制备方法与流程

本发明属于全钒液流电池领域，具体涉及一种全钒液流电池用双极板板材及其制备方法。

背景技术：

1、双极板是全钒液流电池电堆的重要部件和关键材料之一，起着分隔正负极电解液、收集电流以及支撑电极等重要作用，其性能会直接影响全钒液流电池的成本和性能。目前，常用的双极板主要包括石墨双极板、聚合物/导电填料复合双极板和金属双极板。其中，聚合物/导电填料复合双极板不仅规避了石墨双极板存在的机械性能差、加工成型和电堆组装困难度高、成本高等弊端，而且克服了金属双极板在全钒液流电池体系中耐化学性和耐电化学腐蚀性差的缺点。因此，聚合物/导电填料复合双极板成为目前全钒液流电池用双极板的重要选择。

2、聚合物/导电填料复合双极板，是以石墨为基材、树脂为粘结剂，经过模压或者注塑成型而制备的双极板。现有的聚合物/导电填料复合双极板存在组分分散均匀性不理想、机械强度和导电性难以兼顾等问题。

3、因此，亟需开发一种组分分散均匀性好、且兼具良好的机械强度和导电性的聚合物/导电填料复合双极板板材。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种全钒液流电池用双极板板材及其制备方法，采用该制备方法制得的双极板板材组分分散均匀，成型板材具有良好的均匀性、导电性和机械强度，同时与电极之间具有较低的接触电阻。进一步地，本发明还可通过在成型板材中引入超薄柔性石墨纸，制作成一体化成型板材，可使得双极板的电学性能得到改善。

2、具体而言，本发明提供了一种双极板板材的制备方法，所述方法包括以下步骤：

3、（1）对双极板板材的原料在30~120℃的条件下进行预混密炼，得到第一密炼混料，所述双极板板材的原料包括导电填料、树脂、抗氧剂和脱模剂；

4、（2）对第一密炼混料在130~170℃的条件下进行升温密炼，得到第二密炼混料；

5、（3）对第二密炼混料在180~200℃的条件下进行熔融密炼，得到第三密炼混料；

6、（4）熔融密炼完成后，边搅拌第三密炼混料边降温至170~180℃，得到降温密炼混料；

7、（5）将降温密炼混料冷却至25~35℃后，进行破碎处理，得到破碎混料；

8、（6）对破碎混料进行粉碎处理，得到粉碎混料；

9、（7）对粉碎混料进行热压成型，得到热压板材；

10、（8）对热压板材进行冷却，脱模，得到所述双极板板材。

11、在一个或多个实施方案中，所述双极板板材的原料中，所述导电填料的含量为45~80wt%，所述树脂的含量为20~55wt%，所述抗氧剂的含量为0~2wt%，所述脱模剂的含量为0~2wt%。

12、在一个或多个实施方案中，所述导电填料选自天然石墨、膨胀石墨、人造石墨、炭黑和碳纤维中的一种或多种。

13、在一个或多个实施方案中，所述树脂选自聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚偏氟乙烯中的一种或多种。

14、在一个或多个实施方案中，所述树脂的粒度为50~400目。

15、在一个或多个实施方案中，所述树脂的熔融指数为20~40g/10min。

16、在一个或多个实施方案中，所述抗氧剂选自四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯、n,n’-双[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰]肼和亚磷酸酯中的一种或多种。

17、在一个或多个实施方案中，所述脱模剂选自聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、硬脂酸和硬脂酸钙中的一种或多种。

18、在一个或多个实施方案中，所述天然石墨、所述膨胀石墨和所述人造石墨的粒度为50~400目，所述炭黑的粒径为20~50nm，所述炭黑的比表面积为150~300m2/g。

19、在一个或多个实施方案中，步骤（1）中，所述预混密炼中，转子转速为10~45rpm，升温速率为2~5℃/min，密炼时间为15~30min。

20、在一个或多个实施方案中，步骤（2）中，所述升温密炼中，转子转速为10~45rpm，升温速率为2~5℃/min，密炼时间为15~30min。

21、在一个或多个实施方案中，步骤（3）中，所述熔融密炼中，转子转速为10~45rpm，升温速率为2~5℃/min，密炼时间为40~60min。

22、在一个或多个实施方案中，步骤（5）中，所述破碎混料的颗粒粒度≤6mm。

23、在一个或多个实施方案中，步骤（6）中，所述粉碎混料的d50粒径≤50μm。

24、在一个或多个实施方案中，步骤（7）中，先在8~10mpa下以2~5℃/min的升温速率升温至160~180℃，然后在190~230℃、20~50mpa的条件下压制5~10min。

25、在一个或多个实施方案中，步骤（8）中，冷却时保持压力为10~30mpa，冷却终点温度为60~80℃。

26、本发明还提供采用本文任一实施方案制备得到的双极板板材。

27、本发明还提供一种双极板石墨纸复合板材，所述双极板石墨纸复合板材包含本文所述的双极板板材和附着在所述双极板板材两个表面的石墨纸。

28、在一个或多个实施方案中，所述石墨纸的碳含量≥99.0wt%，所述石墨纸的厚度≤1mm，所述石墨纸的密度≥1.2g/cm3。

29、本发明还提供一种制备双极板石墨纸复合板材的方法，所述方法包括以下步骤：

30、（1）将两张所述石墨纸分别置于所述双极板板材的两个表面，在7~10mpa、150~160℃下热压4~10min，得到热压复合板材；

31、（2）对热压复合板材在7~10mpa、25~35℃下冷压2~5min，然后脱模，得到双极板石墨纸复合板材。

32、本发明还提供一种全钒液流电池，所述全钒液流电池包含本文所述的双极板板材或双极板石墨纸复合板材。

33、本发明具有以下有益效果：本发明在混料阶段采取了多段加热，有利于树脂材料更有序地浸润导电填料，组分间相互作用加强，且能有效避免一步加热时，树脂材料因局部受热较易黏附于转子表面及密炼室内壁侧，导致混炼不均等现象发生；本发明的分段密炼工艺有利于提升粉料内各组分的分布均匀性，进而改善成型板材的均匀性、导电性和机械强度，并使得板材与电极之间具有较低的接触电阻；本发明在预混密炼和熔融密炼之间加入了升温密炼步骤，这出乎意料地有效地改善了板材的均匀性、导电性和机械强度。

技术特征：

1.一种双极板板材的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的双极板板材的制备方法，其特征在于，所述双极板板材的原料中，所述导电填料的含量为45~80wt%，所述树脂的含量为20~55wt%，所述抗氧剂的含量为0~2wt%，所述脱模剂的含量为0~2wt%。

3.如权利要求1所述的双极板板材的制备方法，其特征在于，所述双极板板材的原料具有以下一项或多项特征：

4.如权利要求3所述的双极板板材的制备方法，其特征在于，所述天然石墨、所述膨胀石墨和所述人造石墨的粒度为50~400目，所述炭黑的粒径为20~50nm，所述炭黑的比表面积为150~300m2/g。

5.如权利要求1所述的双极板板材的制备方法，其特征在于，所述方法具有以下一项或多项特征：

6.一种采用权利要求1~5中任一项所述的双极板板材的制备方法制备得到的双极板板材。

7.一种双极板石墨纸复合板材，其特征在于，所述双极板石墨纸复合板材包含权利要求6所述的双极板板材和附着在所述双极板板材两个表面的石墨纸。

8.如权利要求7所述的双极板石墨纸复合板材，其特征在于，所述石墨纸的碳含量≥99.0wt%，所述石墨纸的厚度≤1mm，所述石墨纸的密度≥1.2g/cm3。

9.一种制备权利要求7所述的双极板石墨纸复合板材的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

10.一种全钒液流电池，其特征在于，所述全钒液流电池包含权利要求6所述的双极板板材或权利要求7-8中任一项所述的双极板石墨纸复合板材。

技术总结
本发明属于全钒液流电池领域，公开了一种全钒液流电池用双极板板材及其制备方法，所述方法包括以下步骤：对双极板板材的原料进行预混密炼，得到第一密炼混料；对第一密炼混料进行升温密炼，得到第二密炼混料；对第二密炼混料进行熔融密炼，得到第三密炼混料；熔融密炼完成后，边搅拌第三密炼混料边降温，得到降温密炼混料；将降温密炼混料冷却后，进行破碎处理，得到破碎混料；对破碎混料进行粉碎处理，得到粉碎混料；对粉碎混料进行热压成型，得到热压板材；对热压板材进行冷却，脱模，得到双极板板材。本发明解决了双极板板材组分分散不均、导电性和机械强度不佳的问题。本发明的双极板板材可用于全钒液流电池。

技术研发人员：王果,赵文斌,姜宏东
受保护的技术使用者：寰泰储能科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15