[发明专利]一种液流电池用高导电柔性石墨双极板及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种液流电池用高导电柔性石墨双极板的制备方法，通过将膨化好的膨胀石墨粉与PVDF粉以高装载系数在混合机中混合均匀，然后冷压成低密度坯料，再真空热压或辊压成高密度双极板成品。本发明所制备的双极板保持了柔性石墨板的韧性和高导电性，可以显著降低液流电池的欧姆极化，提高其功率密度；并通过聚合物的加入提高了其阻液性，制备方法简单，易于批量化制备。

技术领域

本发明涉及化学储能技术中的液流电池领域，特别涉及液流电池的双极板及其制备方法。

背景技术

全钒液流电池因其具有输出功率和容量相互独立，系统设计灵活；能量效率高，寿命长，运行稳定性和可靠性高，自放电低；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低，安全性高等优点，在规模储能方面具有广阔的发展前景，被认为是解决太阳能、风能等可再生能源发电系统随机性和间歇性非稳态特征的有效方法，在可再生能源发电和智能电网建设中有着重大需求。

双极板作为液流电池的关键部件，起着将单电池串联起来组成电堆的作用，需要具有良好的导电性、阻液性、化学稳定性以及一定的机械强度。目前主要用到的双极板材料为硬质石墨板和碳塑复合材料。硬质石墨板具有电导率高、阻液性和化学稳定性好的特点，但高成本、机械性能差限制了其实际应用。碳塑复合材料是目前广受关注的一种双极板材料，主要优点是加工简单，成本低廉，易于实现大规模生产。然而，这种材料导电性较差，为了提高导电性，需要提高材料中的导电填料含量。而导电填料含量过高会使复合板变脆，不宜于电堆组装。

柔性石墨板是由天然鳞片石墨经插层、水洗、干燥和高温膨胀后制得的膨胀石墨压制而成的一种石墨材料，蓬松多孔，致密性不是很好，阻液能力差，必须经过改性处理才能使用。专利CN 107046140 A中公布了一种含氟石墨板的制备方法，将可膨胀石墨加热到900℃以上高温膨化脱硫制得石墨蠕虫；将制得的石墨蠕虫同含氟聚合物悬浮乳液放入混料机，常温条件下进行混合制备浆料，然后将制得的浆料烘干至恒重后进行二次粉碎过筛制备粉料；将制得的粉末进行连续辊冷压制备3～10mm厚左右的预压板材；再进入连续辊热压至0.5～1.5mm制得最终成品。然而这种方法需要用到大量溶剂，包括后续的烘干步骤会耗费大量能源，从而导致资源的浪费和制备成本的上升。

发明内容

针对上述问题，本发明预将膨胀石墨粉与PVDF粉混合制备一种具有高导电性柔性石墨双极板，但是由于这两种粉体的密度相差接近100倍，在混合运动过程中，PVDF粉因为比重大，按照传统混合机的使用方式混合后，PVDF粉总是沉在膨胀石墨粉的下方，很难混合均匀。这是由于传统混合机的填料量一般要求60％以下，物料在料筒内有足够的运动空间，被叶片带起的粉料在降落时由于密度上的巨大差异很容易导致密度大的物料沉在下面。因此，本发明提出使用超高填料量，利用全尺寸的叶片运动使粉料流动起来，带动少量的PVDF粉裹挟入主体膨胀石墨粉中从而完成他们之间的充分混合。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种液流电池用高导电性双极板的制备方法，包括如下步骤：

(1)将膨胀石墨粉与PVDF粉混合放入混合机中，装载系数即填料量为混合机料筒容积的70％-100％，转速为50-200转/分钟，混合时间为0.5-5h；

(2)将混合好的粉料取出，放入模具中在1-10MPa下压制成厚度为1-3mm、密度为0.5-1.0g/cm³的板状坯料；

(3)将步骤(2)制作的坯料放入真空热压模具中进行真空热压成型，热压温度为170-250℃，压力为5-20MPa，保温保压时间为5-20min，将坯料压制成厚度为0.3-1mm、密度为1.6-1.8g/cm³的双极板成品；或，将步骤(2)制作的坯料送入压延机中进行压延成型，将坯料压制成厚度为0.3-1mm、密度为1.6-1.8g/cm³的双极板成品，辊温为160-230℃，碾压线速度0.1-10m/min。