[发明专利]一种液流电池集流体和液流电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种液流电池集流体和包括该集流体的液流电池。

背景技术

液流电池是一种环境友好的新型储能系统，它是利用具有不同价态元素的氧化-还原反应进行能量储存与转化的电化学系统。与其它储能系统相比，液流电池具有能够大电流充放电、总体能量效率高、可大规模应用等优势。例如，以V⁵⁺/V⁴⁺和V³⁺/V²⁺电对分别作为电池的正极和负极活性物质的氧化还原液流电池，称为全钒氧化还原液流电池，简称钒液流电池。钒液流电池的电极活性物质为含钒的硫酸溶液，正极电解液为含有V⁴⁺/V⁵⁺氧化还原电对的硫酸溶液，负极电解液为含有V²⁺/V³⁺氧化还原电对的硫酸溶液。图1为Electrochimica Acta，47(2001)，825-831中公开的钒液流电池结构的示意图，由集流体1、电极毡2、“+”区域所表示的正极电解液、“-”区域所表示的负极电解液和隔膜3构成单体电池，其中，集流体1和附着在其表面的电极毡2构成电极，集流体的一个表面附着有电极毡则为单面电极(又称为单极板)，集流体的两个表面附着有电极毡则为双面电极(又称为双极板)。

为减小电堆体积，提高电堆一体化，在液流电池中一般除了在靠近电池两侧端板的电极处使用单极板外，其它的电极均使用双极板。由于通常在强酸和强氧化性的环境中工作，因此集流体的材料必须具有优异的耐腐蚀性能。此外，为了尽可能地降低内阻，在电池装配过程中，需要施加一定的压力使集流体和电极毡紧密接触，因此，集流体作为氧化还原液流电池的关键材料之一，应该满足电阻率低、化学性能稳定、不渗透液体以及具有一定的机械强度等要求。

在现有技术中，集流体通常采用高密度石墨板或导电塑料，以起到阻液和导电的作用。由于石墨板材料本身易脆断，大块的石墨板在电池装配过程中容易因受力不均匀而破裂；并且高密度的石墨板很昂贵，因此，这在一定程度上限制了石墨板作为集流体的应用。导电塑料一般是将有机高分子(如聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等)与无机导电材料(如：碳纤维、乙炔黑和石墨粉等)混合，经过热辊压制成导电塑料板，再经过化学处理(如：用5摩/升硫酸浸泡1小时)后得到氧化还原电池的集流体。以无机导电材料为50重量％为例，体积电阻率一般为0.1Ω·cm，在导电塑料表面上导电部分和不导电部分的比例理论上为1∶1，由于电极毡表面为纤维状，当与导电塑料板接触时，有效的导电通路仅为导电塑料表面的导电填料点与毡纤维接触部分，因而存在较大的接触电阻。此外，在使用过程中由于电流集中通过导电塑料板的导电部分使其局部温度升高，导致接触点在大电流作用下发生极化，使碳等导电填充材料被氧化，出现点状腐蚀现象，与被腐蚀点接触的电极毡则脱离，从而导致电池内阻显著加大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的液流电池的集流体易破裂、成本较高或者接触电阻大、电极毡易脱离的缺陷，提供一种不易破裂、成本较低而且接触电阻小、电极毡不易脱离的集流体以及包括该集流体的液流电池。

本发明提供了一种液流电池集流体，该集流体包括导电塑料板以及附着在该导电塑料板表面上的石墨板，所述石墨板的面积为所述导电塑料板的面积的20-90％，且所述石墨板的边缘均位于所述导电塑料板的表面之内。

本发明还提供了一种液流电池，该电池包括两个端板、多个电极板、正极电解液、负极电解液和多个隔膜，所述多个电极板、正极电解液、负极电解液和多个隔膜设置在所述两个端板之间，所述隔膜位于相邻的两个电极板之间，隔膜的两侧分别与正极电解液和负极电解液接触，所述电极板包括集流体、液流框和电极毡，所述电极毡容纳在所述液流框的内框中，其中，所述集流体为本发明提供的集流体，所述集流体的石墨板与电极毡直接接触。

由于导电塑料的韧性好、弹性高并且具有良好的耐腐蚀性能，避免了仅使用石墨板在加工过程中出现的因应力集中而破裂的情况。而且导电塑料板的价格远远低于石墨板，和仅使用石墨板相比，大大降低了整个集流体的成本。由于石墨板将导电塑料板表面的导电部分连为一体，增大了电流的有效通路，因此本发明的液流电池集流体在使用过程中避免了电极毡脱离以及接触电阻大的问题。

附图说明

图1为Electrochimica Acta，47(2001)，825-831中公开的钒液流电池结构的示意图；

图2为根据本发明的一种优选的实施方式的液流电池集流体的俯视图；