专利名称：一种钒电池用一体化电极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及钒电池制造领域，具体为一种钒电池用一体化电极及其制备方法。
背景技术：
钒电池储能系统主要应用在电厂(电站)调峰以平衡负荷，大规模光电转换、风能发电的储能电源以及作为边缘地区储能系统，不间断电源或应急电源系统。是目前最有可能部分取代铅酸储能电池的理想储能电池。作为绿色储能技术的大功率钒电池的产业化，将推动带风能、太阳能等的大规模利用，使我国的可再生能源产业进入主导阶段，可以通过用电的“峰谷”调解，节约能源，保护环境，有利于资源的合理综合利用，增加效益。钒电池要满足产业化要求，需要进一步降低电池成本、进一步提高电池可靠性，而核心问题就是降低电池电阻，提高电池功率。而双极板和电极材料之间的接触电阻占电池物理内阻30%以上，并且现有材料在电池装配过程需要很大紧压力导致充放电过程中极化电阻很大，所以钒电池能否产业化关键在于，降低双极板和电极材料之间的接触电阻，降低电池流液阻力。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种钒电池用一体化电极及其制备方法，解决现有技术中双极板电阻率过高、双极板与电极接触电阻过大、电池流液阻力大以及难以大电流充放电、能量 效率低等问题。为达到上述目的，本发明的技术方案为—种钥;电池用一体化电极,该一体化电极包括高分子树脂粉末和电极，高分子树脂粉末填充于电极中，高分子树脂粉末体积占电极体积的30 70%。本发明中，电极采用碳毡或石墨毡。本发明中，碳租或石墨租的厚度为2 IOmm,碳租或石墨租的体积密度为O. 05 O. 20g/cm3。本发明中，高分子树脂粉末为耐酸性极强的热塑性塑料或者热固性塑料。本发明中，高分子树脂粉末为聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、丙烯酸树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚醚醚酮中的一种或两种以上混合，粉末粒度为20 μ m 500 μ m,优选的粒度为50 μ m 100 μ m。所述的钒电池用一体化电极的制备方法，采用易挥发溶剂为分散介质，将高分子树脂粉末和电极充分混合，然后抽滤，抽滤至无溶剂滴出；将混入树脂粉末的电极放入烘箱烘干，置于模具中热压成型，取出后放入溶剂中将表面树脂析出，再放入烘箱中烘干即为一体化电极。本发明中，溶剂为甲苯、二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮、乙醚、氯仿或四氢呋喃。所述的钒电池用一体化电极的制备方法，具体步骤如下I)将电极和高分子树脂粉末放入溶剂中浸泡，浸泡方法包括超声波震荡、搅拌器搅拌或喷枪喷淋，时间O. 5-10h，高分子树脂粉末填充于电极中充分混合后，放入烘箱中烘干;2)将烘干后电极置于模具中，通过热压机热压，热压温度为100 300°C，热压时间为5 200min，热压压力为O.1 25MPa ；3)取出后放入溶剂中将表面树脂析出，再放入烘箱中烘干，即为一体化电极。本发明中，烘箱温度为50 100°C，保温时间为10 600min。本发明中，高分子树脂粉末与溶剂的质量比例为(I 2) (1:20)，优选的质量比例为(I 5) (1:10)。本发明中，优选地，热压温度150 250°C，热压时间为20 lOOmin，热压压力为O. 5 -IOMPa0本发明的优点1、本发明根据钒电池工作要求，选取耐高温、耐腐蚀性好的高分子树脂和电极制备一体化电极，以电极中注入树脂粉末作为骨架材料，再将电极表面一层树脂析出，消除了之间的接触电阻，大大降低了电池电阻，提高了电池功率。其电阻率可以达到0.01 O.1 Ω . cm,降低了电池物理电阻。2、本发明的钒电池用一体化电极，由于电极与双极板为一体，装配过程不需要很大的压紧力，降低了电池流液阻力，从而大大降低了电池充放电过程中的极化电阻，提高了电池大电流充放电能力以及能量效率，提高了电池功率。本发明的一体化电极导电率高、与电极之间接触好，可降低钒电池电阻，提高钒电池功率，从而降低钒电池成本，并保证钒电池的可靠性。
具体实施例方式下面通过实施例详述本发明。实施例1取石墨租电极(规格560mmX宽320mmX厚5mm,体积密度为O. 10g/cm3)和粒度50 μ m的聚乙烯树脂粉末(PE) 20g，分散介质为甲苯50mL，在超声池中超声处理5h后，将聚乙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚乙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的50%。取出后在烘箱中90°C待甲苯蒸发掉后，烘干后放入模具在热压机上进行热压，热压温度为160°C，热压时间为20min，压力为IMPa，取出后放入DMF溶液50mL中在超声池中超声处理Ih，石墨毡电极两侧均露出1. 5mm后，在烘箱中70°C待DMF溶液蒸发掉后，得到钒电池用一种一体化电极。本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为0.1 Ω. 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91%，电压效率80%，能量效率73%。实施例2取石墨租电极(规格长560mmX宽320mmX厚6mm,体积密度为O. 15g/cm3)和粒度80 μ m的聚丙烯树脂粉末(PP) 20g，分散介质为丙酮40mL，在超声池中超声处理30min后，将聚丙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚丙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的60%。取出后在烘箱中90°C待丙酮蒸发掉后，烘干后放入模具在热压机上进行热压，热压温度为190°C，热压时间为30min，压力为IMPa，取出后放入氯仿溶剂中在超声池中超声处理lh，石墨毡电极两侧均露出2. Omm后，在烘箱中70°C待氯仿蒸发掉后，得到钒电池用一种一体化电极。本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为0. 06Q. 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91%，电压效率81%，能量效率74%。实施例3取石墨租电极(规格560mmX宽320mmX厚7mm,体积密度为0. 05g/cm3)和粒度100 u m的聚醚醚酮20g，分散介质为乙醚50mL，在超声池中超声处理5h后，将聚醚醚酮粉末填充于石墨毡电极中，聚醚醚酮粉末占石墨毡电极体积的30%。取出后在烘箱中90°C待乙醚蒸发掉后，烘干后放入模具在热压机上进行热压，热压温度为170°C，热压时间为25min，压力为0. 5MPa，取出后放入DMF溶液50mL中在超声池中超声处理lh，石墨毡电极两侧均露出2. 5mm后，在烘箱中70°C待DMF溶液蒸发掉后，得到钒电池用一种一体化电极。本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为0. 03Q. 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91%，电压效率86%，能量效率78%。实施例4取石墨租电极(规格500mmX宽320mmX厚5mm,体积密度为0. 12g/cm3)和粒度120 u m的聚乙烯树脂粉末(PE) 20g,分散介质为甲苯60mL，在超声池中超声处理Ih后，将聚乙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚乙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的50%。取出后在烘箱中90°C待甲苯蒸发掉 后，烘干后放入模具在热压机上进行热压，热压温度为150°C，热压时间为30min，压力为0. 4MPa，取出后放入四氢呋喃溶液50mL中在超声池中超声处理Ih,石墨租电极两侧均露出1. 5mm后,在烘箱中70°C待四氢呋喃蒸发掉后,得到I凡电池用一种一体化电极。本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为0. 06Q. 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%，电压效率83%，能量效率76%。实施例5取石墨租电极(规格长500mmX宽320mmX厚8mm,体积密度为0. 13g/cm3)和粒度30 ii m的聚丙烯树脂粉末(PP)lOg，分散介质为丙酮30mL，在超声池中超声处理2h后，将聚丙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚丙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的45%。取出后在烘箱中90°C待丙酮蒸发掉后，烘干后放入模具在热压机上进行热压，热压温度为180°C，热压时间为20min，压力为IMPa，取出后放入DMF溶液50mL中在超声池中超声处理Ih，石墨毡电极两侧均露出3. Omm后，在烘箱中70°C待DMF溶液蒸发掉后，得到钒电池用一种一体化电极。本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为0. 07Q. 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%，电压效率80%，能量效率73%。实施例6取石墨租电极(规格长500mmX宽320mmX厚6mm,体积密度为0. 08g/cm3)和粒度60 um的聚氯乙烯树脂粉末(PVC) 20g,分散介质为乙醚50mL，在超声池中超声处理Ih后，将聚氯乙烯树脂粉末填充于石墨毡电极中，聚氯乙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的35%。取出后在烘箱中90°C待乙醚蒸发掉后，烘干后放入模具在热压机上进行热压，热压温度为120°C，热压时间为lOmin，压力为0. 8MPa，取出后放入甲苯溶液50mL中在超声池中超声处理lh，石墨毡电极两侧均露出1. 5_后，在烘箱中70°C待甲苯溶液蒸发掉后，得到钒电池用一种一体化电极。本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为0. 05Q. 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%，电压效率85%，能量效率78%。实施例7取石墨租电极(规格长500mmX宽320mmX厚3mm,体积密度为0. 10g/cm3),以及粒度70 ii m的聚乙烯树脂粉末(PE) 20g和粒度80 ii m的聚丙烯树脂粉末(PP) IOg,分散介质为乙醚IOOmL,在超声池中超声处理3h后，将聚乙烯树脂粉末和聚丙烯树脂粉末填充于复合电极中，聚乙烯树脂粉末和聚丙烯树脂粉末占石墨毡电极体积的65%。取出后在烘箱中90°C待乙醚蒸发掉后，烘干后放入模具在热压机上进行热压，热压温度为200°C，热压时间为60min,压力为5MPa,取出后放入甲苯溶液50mL中在超声池中超声处理Ih,石墨租电极两侧均露出1. 5mm后，在烘箱中70°C待甲苯溶液蒸发掉后，得到钒电池用一种一体化电极。本实施例中，制备的导电双极板的体积电阻率为0. 05Q. 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93%，电压效率88%，能量效率79%。结果表明，本发明根据钒电池工作要求，以电极中注入树脂粉末作为骨架材料，再将电极表面一层树脂析出，制备高导电率、高强度、耐腐蚀的钒电池用一体化电极；其接触电阻小，电阻率可以达到0. 01 0.1 Cm，不易剥离，提升了钒电池的功率，提高了电池可靠性，降低了 电池成本。
权利要求
1.一种钒电池用一体化电极，其特征在于，该一体化电极包括高分子树脂粉末和电极， 高分子树脂粉末填充于电极中，高分子树脂粉末体积占电极体积的30 70%。
2.按照权利要求1所述的钒电池用一体化电极，其特征在于，电极采用碳毡或石墨毡。
3.按照权利要求1所述的钒电池用一体化电极，其特征在于，碳毡或石墨毡的厚度为 2 IOmm,碳租或石墨租的体积密度为O. 05 O. 20g/cm3。
4.按照权利要求1所述的钒电池用一体化电极，其特征在于，高分子树脂粉末为耐酸性极强的热塑性塑料或者热固性塑料。
5.按照权利要求1所述的钒电池用一体化电极，其特征在于，高分子树脂粉末为聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、丙烯酸树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚醚醚酮中的一种或两种以上混合，粉末粒度为20 μ m 500 μ m。
6.按照权利要求1 5之一所述的钥;电池用一体化电极的制备方法,其特征在于,米用易挥发溶剂为分散介质，将高分子树脂粉末和电极充分混合，然后抽滤，抽滤至无溶剂滴出；将混入树脂粉末的电极放入烘箱烘干，置于模具中热压成型，取出后放入溶剂中将表面树脂析出，再放入烘箱中烘干即为一体化电极。
7.按照权利要求6所述的钒电池用一体化电极的制备方法，其特征在于，溶剂为甲苯、 二甲基甲酰胺、丙酮、乙醚、氯仿或四氢呋喃。
8.按照权利要求6所述的钒电池用一体化电极的制备方法，其特征在于，具体步骤如下1)将电极和高分子树脂粉末放入溶剂中浸泡，浸泡方法包括超声波震荡、搅拌器搅拌或喷枪喷淋，高分子树脂粉末填充于电极中充分混合后，放入烘箱中烘干；2)将烘干后电极置于模具中，通过热压机热压，热压温度为100 300°C，热压时间为 5 2OOmin,热压压力为O.1 25MPa ；3)取出后放入溶剂中将表面树脂析出，再放入烘箱中烘干，即为一体化电极。
9.按照权利要求8所述的钒电池用一体化电极的制备方法，其特征在于，高分子树脂粉末与溶剂的质量比例为(1:2) (1:20)。
10.按照权利要求8所述的钒电池用一体化电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中， 优选地，热压温度150 250°C，热压时间为20 lOOmin，热压压力为O. 5 lOMPa。
全文摘要
本发明涉及钒电池制造领域，具体为一种钒电池用一体化电极及其制备方法，解决现有技术中难以大电流充放电、能量效率低、流液阻力大等问题。采用高分子树脂粉末和电极为原料，采用易挥发溶剂为分散介质，在搅拌下使树脂和电极充分混合，然后抽滤，至无溶剂滴出；将混入树脂粉末的电极放入烘箱烘干，置于模具中热压成型，取出后放入溶剂中将表面树脂析出，再在烘箱中烘干即为一体化电极。本发明根据钒电池工作要求，选取高分子树脂和电极制备一体化电极；其电阻率可达到0.01～0.1Ω.cm，降低了电池物理电阻，提高了钒电池大电流充放电能力及能量效率，提高了钒电池的可靠性。
文档编号H01M4/88GK103035928SQ201210556349
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者侯绍宇, 杨志刚, 刘建国, 严川伟 申请人:中国科学院金属研究所