[实用新型]一体化复合电极板

说明书

技术领域

本实用新型涉及电池制造及能量存储领域，特别涉及一体化复合电极板。

背景技术

电能是现代社会人类生活和生产不可或缺的二次能源。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人类对电力的需求在日益增加。因此，必须不断发展各类电站及输配电系统以满足生活和生产对电力的需求。为充分利用各类发电系统并实现稳定供电，开发大规模(兆瓦级)高效蓄电技术十分必要。大规模高效蓄电技术主要有扬水储能技术和液流储电池技术。两者相比，后者具有设置不受地理条件限制、规模灵活、建设周期短、投资少等优点。大规模高效液流储能系统的应用领域首先是与风能、太阳能等可再生能源发电系统配套使用，使其稳定供电；其次是火力发电及核电站的电网调峰，以及直流用电大户储存“谷电”；还可用作自然灾害、战争等非常时期的应急电源，重要军事基地的备用电站等。到目前为止，研究较多的液流储能电池有：铁铬液流储能电池、多硫化钠/溴液流储能电池和全钒液流储能电池。与前两种液流电池相比，全钒液流电池的能量效率较高，一般可达75％-80％。因此，全钒液流储能电池最具有产业化前景。全钒液流电池以钒离子液流作为电池反应的活性物质，正极活性物质为V⁺⁴/V⁺⁵电对，负极活性物质为V⁺²/V⁺³电对。正负电极之间用离子交换膜隔开，充放电时电池内部通过氢质子在膜中的定向迁移而导通。电池的正负极充电如下：正极：V⁺⁴-e充电/放电V⁺⁵；负极：V⁺³-e充电/放电V⁺²。澳大利亚新南威尔士大学的sum和skylass-kazacos等人从1984年开始对全钒液流储能电池进行了初步的研究，近十几年来，虽然电极材料和离子交换膜材料仍然存在一些问题，但是全钒液储能电池还是得到了较大的发展。

电极的主要作用是提供电化学反应的场所，因此需要有一定的催化活性。双极板的作用主要是收集电化学反应产生的电流以及分隔正负电解液，因此应具有良好的导电性和阻液性。同时液流电池作为一种储能装置，还必须考虑其能量转化效率。因此，电极与双极板之间的接触电阻必须尽可能的小。此外，在全钒液流储能电池中，所使用的电解液为钒离子的硫酸溶液，具有很强的腐蚀性；同时，V⁵⁺具有较强的氧化性，因此作为全钒液储能电池的电极和双极板还必须具有足够的耐腐蚀性。目前用于全钒液流储能电池的电极种类主要包括金属电极和碳素电极；双极板主要有石墨双极板，碳塑双极板和金属双极板。此外，由于一体化电极板的结构紧凑，可以降低石墨毡与双极板之间的接触电阻，因此也成为目前的热点。1、电极材料(1)金属类电极材料，用作全矾液流储能电池的金属电极材料包括金、铅、钛、钛基铂和钛基氧化铱等。V⁺⁴/V⁺⁵电对在金电板上表现出较强的电化学不可逆性且金的价格昂贵。铅电极和钛电极的表面则容易生成钝化膜，导致电极的表面电阻增大，不利于反应的进一步进行。钛基铂电极避免了钛电极表面生成钝化膜的问题，并V⁺⁴/V⁺⁵电对和V⁺²/V⁺³电对在钛基铂电极表面表现出了良好的电化学可逆性，但由于钛基铂电极成本较高，不适合大规模应用。此外，虽然V⁺⁴/V⁺⁵电对和V⁺²/V⁺³电对在钛基氧化铱电极表面上也具有较高的电化学可逆性，且显示出了良好的电化学活性和化学稳定性，但由于钛基氧化铱的价格十分昂贵，因此不适合作液电池的电极材料。总之，虽然V⁺⁴/V⁺⁵电对和V⁺²/V⁺³电对在贵金属电极表面电化学反应的可逆性较好，然而贵金属电极的成本昂贵，不能进行大规模的应用。V⁺⁴/V⁺⁵电对和V⁺²/V⁺³电对在非贵金属电极表面电化学反应的可逆性较差，并且耐腐蚀性差，也不适合应用于全钒液流储能电池。(2)碳素电极材料，结果表明V⁺⁴/V⁺⁵电对和V⁺²/V⁺³电对在石墨电极表面的电化学氧化还原反应具有高可逆性，但在充电过程中，当电位过高时，用作阳极的石墨板表面会被腐蚀。在石墨板表面涂敷一层聚苯胺，可以避免上述腐蚀现象的发生，但经几次充放电后聚苯胺涂层会从石墨板表面剥离。V⁺⁴/V⁺⁵电对在普通碳素毡电极表面上电化学反应则表现在了不可逆性。石墨电极表面具有较好的电化学活性，但必须提高石墨电极的有效电化学反应面积，才能实际应用于全钒液流电池中。2、双极板材料，双极板材料应具有良好的导电性和化学稳定性，以及高机械强度和低渗透性。由于全钒液流电池的电解液中含有大量的硫酸，且充电电位较高，因此双极板材料还必须是耐腐蚀的导电材料。目前使用的双极板主要有金属双极板、石墨双极板和碳塑复合双极板。(1)金属双极板材料，金、钛、铂等贵金属虽然耐腐蚀性较好，但由于其价格昂贵，所以不适合作为双极板材料。(2)石墨双极板材料，石墨材料在酸性条件下是稳定的，并且具有良好的导电性，其中，无孔纯石墨还具有阻液性，可以作为全钒液流电池用双极板材料。但石墨双极板的制备工艺复杂，费时且成本高，因此不适合应用于全矾液流电池。(3)碳塑双极板材料，为了降低双极板制备成本，以导电填料和高分子树脂为原料，采用注塑或模压等方法来制备的碳塑双极板目前广泛地应用于全钒液流电池中，其中采用的导电填料包括石墨粉、炭黑、碳纤维、碳纳米管、金属粉末等；而高分子树脂通常是聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等，为了提高碳塑复合双极板的机械强度还可添加纤维进行增强。