[发明专利]一种用于液流储能电池的增强柔性石墨双极板及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及化学储能技术中的液流储能电池，具体地说是液流储能电池用增强柔性石墨双极板及其制备方法。

背景技术

电能是现代社会人类生活和生产必不可少的二次能源。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对电力的需求日益增加。为了整个社会的可持续发展，充分开发和利用可再生能源以成为十分迫切的要求。为保证可再生能源发电系统的稳定供电，并充分有效地利用其发电能力，必须以蓄电储能的方式加以调节。另外，电网的削峰填谷、平衡负荷也迫切需要我们开发规模储能蓄电技术。液流储能电池具有不受地理条件限制、规模灵活、比能量高、响应时间快、建设周期短、投资少等优点。同其它化学储能电池相比液流储能电池也具有很多优势，比如：(1)功率和容量相互独立；(2)电池寿命长；(3)能深度放电并且不会损坏电池。因此，液流储能电池是一类有效利用能源和发电能力的规模化储能蓄电装置。其工作流程示意图如图1所示。电解液通过泵循环流过电池，并在电极上发生电化学反应，电池内阴阳极电解液用离子交换膜隔开，电池外接负载或者电源。

在所有研究和开发过的液流储能电池中，全钒液流储能电池(VRB)及多硫化钠/溴液流储能电池(PSB)最具产业化的前景。

全钒液流储能电池(AVRB)正极电对为VO²⁺/VO₂⁺，负极电对为V²⁺/V³⁺，正负极之间用离子交换膜隔开，单电池标准开路电压约为1.259V。充放电时电池电极反应分别如下：

正极：

多硫化钠/溴液流储能电池(PSB)以Br₂/Br^-为正极电对，以S_n+1^2-/Sn^2-为负极电对。Br₂主要以Br^3-形式存在于正极电解液中，单质硫与硫离子结合成多硫离子存在于负极电解液中。充放电时正、负电极发生如下反应：

正极：

负极：

x＝1～4，单电池标准开路电压为1.515V

双极板是液流储能电池的关键部件，其材料应具有良好的导电性能、阻液性能、机械力学性能以及在电池电解液环境的化学稳定性。

液流储能电池所采用的电解液体系通常是具有强酸性和强氧化还原性的液流体系，常用的金属类材料由于稳定性原因而不适宜用作液流储能电池双极板。

纯石墨板是一种常用的液流储能电池双极板材料。它具有电导率高、化学稳定性好和阻液性能优异等特点。T.Mohammadi以及Gab-Jin Hwang等均采用硬石墨板作为双极板组装了全钒液流储能电池，获得了超过80％的能量效率。文献(US Patent 4786567)报道了应用硬石墨板作为双极板组装全钒液流储能电池。赵平等也报道了应用纯石墨板作为双极板组装多硫化钠/溴液流储能电池。然而高成本、材质较脆和密度较大等因素限制了其实际应用。

碳塑导电复合材料是另外一种液流储能电池常用的双极板材料。它具有良好的化学稳定性能和机械力学性能以及成本较低等优点。M.Kazacos等将碳纤维和聚乙烯混合，制成碳塑导电复合板作为全钒液流储能电池双极板。文献(US Patent 2004/0202915 A1)中全钒液流储能电池采用的双极板为由石墨、碳黑和聚氯乙稀等树脂混合经注射成型工艺加工而成的碳塑导电复合材料板。目前，导电性能差是碳塑导电复合材料存在的主要问题。

柔性石墨具有石墨的理化性能，导电性能良好，化学稳定性高，而且成本低廉。以上特点使得其适合作为液流储能电池双极板材料。然而，由于柔性石墨板由膨胀石墨颗粒压制而成，板内会不同程度的存在一定的孔隙，从而阻液性能相对较差，这就导致充放电过程中电解质溶液发生互串，电池库仑效率下降。而且机械力学性能相对较差也使得其应用受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好导电性能、阻液性能及机械力学性能的满足全钒液流储能电池需要的增强柔性石墨双极板及其制备。

为了实现上述目的，本发明采用碳塑导电复合材料对柔性石墨板进行增强，并用热压方法制备增强柔性石墨双极板。具体技术方案为：