液流電池雙極板的特性、種類及企業(yè)
發(fā)布時(shí)間：
2021-11-09
液流儲(chǔ)能電堆是按照壓濾機(jī)的方式進(jìn)行組裝，雙極板在電池組中實(shí)現(xiàn)單體電池間的連接，隔離相鄰單體電池間的電解質(zhì)溶液，同時(shí)收集雙極板兩側(cè)電極反應(yīng)所產(chǎn)生的電流。此外，電堆中的電極要求一定的形變量，雙極板對其提供剛性支撐。
液流儲(chǔ)能電堆是按照壓濾機(jī)的方式進(jìn)行組裝，雙極板在電池組中實(shí)現(xiàn)單體電池間的連接，隔離相鄰單體電池間的電解質(zhì)溶液，同時(shí)收集雙極板兩側(cè)電極反應(yīng)所產(chǎn)生的電流。此外，電堆中的電極要求一定的形變量，雙極板對其提供剛性支撐。
要實(shí)現(xiàn)這些功能，雙極板材料必須具備以下特征。
(1) 導(dǎo)電性優(yōu)良，連接單體電池的歐姆電阻小且便于集流。
(2) 良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，既能很好地支撐電極材料，又不至于在密封電池的壓緊力作用下發(fā)生脆裂或破碎。
(3) 良好的致密性，保持不發(fā)生滲液和漏液，避免相鄰單體電池之間的電解質(zhì)溶液出現(xiàn)互混。
(4) 良好的耐酸性和耐腐蝕性。在全釩液流電池體系中這一點(diǎn)尤為重要，該體系采用強(qiáng)酸作為支持電解質(zhì)，正極的五價(jià)釩(VO)具有很強(qiáng)的氧化性。另外，處于較高的電極電位下就形成了苛刻的強(qiáng)酸、強(qiáng)化學(xué)氧化和電化學(xué)氧化環(huán)境。
1. 雙極板種類
全釩液流電池通常采用孔隙率比較大的碳?xì)只蚴珰肿鳛殡姌O，電解質(zhì)溶液在電極內(nèi)部流動(dòng)，無須像質(zhì)子交換膜燃料電池那樣在雙極板表面刻制流場，但要求雙極板表面平整，與電極的接觸電阻要小。對于全釩液流電池雙極板材料，一般使用石墨板以及碳塑復(fù)合材料板。
1.1金屬雙極板
非貴金屬材料在全釩體系的強(qiáng)酸強(qiáng)氧化性環(huán)境中易被腐蝕或形成導(dǎo)電性差的鈍化膜，鉑、金、鈦等金屬雖然耐腐蝕性較好，但價(jià)格高昂，不適合規(guī)模化應(yīng)用。人們通過電鍍、化學(xué)沉積等方法對不銹鋼材進(jìn)行表面處理，以增強(qiáng)其耐腐蝕性，提高其作為雙極板的使用壽命，但效果甚微，仍然無法在全釩液流儲(chǔ)能電池的運(yùn)行環(huán)境中長期穩(wěn)定工作。因此，金屬材料并不適合用于酸性電解質(zhì)溶液液流電池的雙極板材料，目前鮮有該類材料的研究。
1.2 石墨雙極板
石墨材料在全釩液流電池運(yùn)行條件下具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、耐酸腐蝕性和化學(xué)及電化學(xué)穩(wěn)定性。無孔硬石墨板材料致密，能有效阻止電解質(zhì)溶液的滲透。這些特性使硬石墨板適合用于全釩液流電池雙極板板材。
但硬石墨板制備工藝相當(dāng)復(fù)雜，能耗大。一般采用石粉與可石墨化的樹脂或?yàn)r青混合，經(jīng)復(fù)雜的制造工藝，在石墨化爐中嚴(yán)格按一定的升溫程序，升溫至2500℃~2700℃，制備出無孔或低孔隙率的僅含納米級(jí)孔的石墨塊，再經(jīng)切割和研，制備出所需厚度的石墨板，耗時(shí)多，成本高。而且無孔石墨雙極板材料的脆性強(qiáng)、韌性差，用于大功率電堆時(shí)，在壓緊密封過程中容易破碎，限制了石墨板在液流電池中的應(yīng)用。
1.3 碳塑復(fù)合雙極板
目前，大功率液流電池電堆中使用的是碳塑復(fù)合雙極板。碳塑復(fù)合雙極板材料一般采用導(dǎo)電碳粉(如石墨粉、炭黑、碳纖維等)與熱塑性樹脂(如聚乙烯、聚氣乙烯、聚丙烯等)及阻滯劑、脫模劑等均勻混合，通過注塑或模壓的方法制備碳塑復(fù)合雙極板。碳材料作為導(dǎo)電填料提供導(dǎo)電性，樹脂作為黏結(jié)劑提供機(jī)械強(qiáng)度并填充碳材料之間的孔隙。
復(fù)合雙極板由于用于成型黏結(jié)劑的樹脂未經(jīng)炭化，所以極板的本體電阻遠(yuǎn)高于石墨雙極板，而且碳塑復(fù)合雙極板與電極的接觸電阻也高于石墨雙極板與電極的接觸電阻。
2. 雙極板制作工藝
雙極板制造流程有以下幾個(gè)重要步驟：模壓-浸漬-固化-烘干整平-點(diǎn)膠-粘接-固化-檢測(各企業(yè)工藝有所調(diào)整)。
復(fù)合雙極板的加工工藝：
目前，注塑成型工藝和模壓成型工藝是復(fù)合材料雙極板加工的兩種常用方法。由注塑成型工藝發(fā)展出來的傳遞模塑工藝和反應(yīng)注塑工藝也被用來加工復(fù)合材料雙極板。注塑成型工藝是較模壓成型工藝更加常用的方法，但是由于受到物料流動(dòng)性的影響，不能制備聚合物含量較低的復(fù)合材料雙極板，由此而導(dǎo)致雙極板導(dǎo)電性較差。
擠出成型工藝是通過將復(fù)合材料在具有螺桿的旋轉(zhuǎn)筒體中混合軟化，然后擠出到模具中，經(jīng)過一段時(shí)間的冷卻固化將模具打開并將復(fù)合雙極板頂出，通常是半自動(dòng)化甚至自動(dòng)化的工藝過程。
模壓成型工藝是將混合好的復(fù)合材料置于模具中，在熱壓機(jī)中加熱并施加一定壓力，然后保溫保壓一定時(shí)間，最后冷卻固化、卸壓開模。
3. 供應(yīng)商
目前在液流電池雙極板領(lǐng)域，以石墨雙極板和碳塑雙極板為主。為了滿足定制化需求和控制成本，不少液流電池選擇自己制造雙極板材料，如恒安儲(chǔ)能、新新釩鈦、宿遷時(shí)代、開封時(shí)代、美淼儲(chǔ)能等。
此外不少氫能領(lǐng)域極板工藝供應(yīng)也開始布局液流電池極板。
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