一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及液流电池电堆技术领域，具体涉及一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构及其制备方法。


背景技术：

2.目前液流电池的离子交换膜与电极材料的最常见的组装方式是采用堆叠式组装方式，也就是正负极的电极与膜不进行粘接或焊接，直接平铺在一起，然后通过紧堆的力量将几种材料压在一起，形成液流电池电堆的内部结构。
3.目前通常的电极和膜的组装方式有以下几点问题：
4.1、因只靠紧堆力量将电极和膜压在一起，造成电极和膜之间的接触电阻过大，影响电堆性能；
5.2、通过紧堆力量将电极和膜压在一起时，因为电极多为碳纤维针织材料，电极表面分布有非常细的纵向碳纤维，这部分纵向碳纤维很容易将膜刺穿，造成电堆内漏；
6.3、装堆时因电极和膜没有固定，容易造成电极和膜的错位，装堆难度升高，成品率下降。


技术实现要素：

7.为了进一步降低电堆内阻，提升电堆可靠性，简化装堆工艺，提升电池效率，本发明提供了一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构及其制备方法。
8.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
9.一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构，为电极材料与离子交换膜的一体化结构，电极材料的纵向碳纤维嵌入离子交换膜中。
10.进一步的，所述电极材料包括但不限于碳毡电极、碳布电极、碳纸电极，这些电极材料大部分为碳毡纤维组成的材料。
11.进一步的，所述电极材料的碳纤维的直径为5～20μm，电极材料的厚度约为0.1～5mm。
12.一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构的制备方法，离子交换膜的生产方式包括但不限于流延法、铸膜法、挤出法。
13.制备方法包括：在离子交换膜的生产过程中，树脂溶液固化之前，将电极材料平铺到树脂溶液表层，使电极材料的一部分进入到树脂溶液中，但不完全进入，即不完全浸透树脂溶液；当树脂溶液固化后，便形成了电极和膜的一体化结构。
14.进一步的，所述电极材料的一部分进入到树脂溶液中是指将电极材料的厚度方向的0.1～20％浸渍到树脂溶液中，保证电极材料的纵向碳纤维进入树脂溶液的深度不超过树脂溶液总深度的20％；
15.进一步的，在电极和膜形成一体化结构之后，使用该一体化结构进行电堆组装时，
280℃，固化时间一般为5-15min，固化后形成一体化电极-膜材料。
33.本实施例中，使用一体化电极-膜作为电极和膜材料，电极尺寸为200mm*400mm，电极压缩比为40％，使用1mm碳素复合双极板作为双极板材料，双极板尺寸为300mm*480mm，组装40节电堆。该电堆在200ma/cm2电流密度下，使用硫酸电解液，其能量效率可达到82％，无漏液现象。
34.实施例3
35.本实施例中，使用全氟磺酸树脂，通过铸膜法的方式生产离子交换膜，离子膜的厚度为50μm；使用碳纸电极作为电极材料，碳纸电极厚度为0.5mm。在铸膜箱的铸膜槽中添加全氟磺酸树脂，等待树脂溶液均匀分散到整个铸膜槽内时，将碳纸电极厚度方向的2％浸入到膜的树脂溶液中，也就是10μm。然后升温铸膜箱，将箱体内部温度控制在180-280℃，固化时间一般为0.5-3h，固化后形成一体化电极-膜材料。
36.本实施例中，使用一体化电极-膜作为电极和膜材料，电极尺寸为200mm*400mm，电极压缩比为30％，使用1mm碳素复合双极板作为双极板材料，双极板尺寸为300mm*480mm，组装40节电堆。该电堆在200ma/cm2电流密度下，使用硫酸电解液，其能量效率可达到83％，无漏液现象。组装一台电堆的工时约为4h。
37.对比例1
38.使用全氟磺酸离子膜，厚度为50um；使用碳毡电极作为电极材料，碳毡电极厚度为4mm。碳毡电极和离子交换膜采用堆叠式的组装方式。电极尺寸为200mm*400mm，电极压缩比为40％，使用1mm碳素复合双极板作为双极板材料，双极板尺寸为300mm*480mm，组装40节电堆。该电堆在200ma/cm2电流密度下，使用硫酸电解液，其能量效率为70％，出现严重的漏液现象。
39.对比例2
40.使用全氟磺酸离子膜，厚度为50um；使用碳毡电极作为电极材料，碳毡电极厚度为4mm。碳毡电极和离子交换膜采用堆叠式的组装方式。电极尺寸为200mm*400mm，电极压缩比为20％，使用1mm碳素复合双极板作为双极板材料，双极板尺寸为300mm*480mm，组装40节电堆。该电堆在200ma/cm2电流密度下，使用硫酸电解液，其能量效率为78％，没有漏液现象。
41.对比例3
42.使用全氟磺酸离子膜，厚度为50um；使用碳纸电极作为电极材料，碳毡电极厚度为0.5mm。碳纸电极和离子交换膜采用堆叠式的组装方式。电极尺寸为200mm*400mm，电极压缩比为30％，使用1mm碳素复合双极板作为双极板材料，双极板尺寸为300mm*480mm，组装40节电堆。该电堆在200ma/cm2电流密度下，使用硫酸电解液，其能量效率为80％，没有漏液现象。组装一台电堆的工时约为8h。
43.通过实施例2与对比例1、2进行比较，本发明提供的一体化方式可以有效保护离子膜，避免电极表面的纵向碳纤维刺穿离子膜造成电堆内漏，提高电堆的可靠性。
44.通过实施例3与对比例3进行比较，该一体化方式可以减小电极和膜之间的接触电阻，提高电堆性能；而且本发明提供的一体化结构，可以简化装堆工艺，提高电堆装堆效率，提高成品率。
45.以上为本发明典型的实施例和对比例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思
加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。


技术特征：
1.一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构，其特征在于，为电极材料(2)与离子交换膜(1)的一体化结构，电极材料的纵向碳纤维(3)嵌入离子交换膜(1)中。2.如权利要求1所述的一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构，其特征在于，所述电极材料(2)包括但不限于碳毡电极、碳布电极、碳纸电极。3.如权利要求1所述的一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构，其特征在于，所述电极材料(2)的碳纤维的直径为5～20μm，电极材料(2)的厚度为0.1～5mm。4.一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构的制备方法，其特征在于，离子交换膜(1)的生产方式包括但不限于流延法、铸膜法、挤出法。5.如权利要求4所述的一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构的制备方法，其特征在于，所述离子交换膜(1)的生产方式包括：树脂溶液固化之前，将电极材料(2)平铺到树脂溶液表层，使电极材料(2)的一部分进入到树脂溶液中，但不完全进入；当树脂溶液固化后，便形成了电极和膜的一体化结构。6.如权利要求5所述的一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构的制备方法，其特征在于，所述电极材料(2)的一部分进入到树脂溶液中是指将电极材料(2)的厚度方向的0.1～20％浸渍到树脂溶液中，保证电极材料的纵向碳纤维(3)进入树脂溶液的深度不超过树脂溶液总深度的20％。7.如权利要求5所述的一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构的制备方法，其特征在于，在电极和膜形成一体化结构之后，使用该一体化结构进行电堆组装时，通过电堆预紧力使电极材料(2)达到10～50％的压缩比。8.如权利要求4所述的一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构的制备方法，其特征在于，所述流延法的固化温度为180-280℃，固化时间为5-15min。9.如权利要求4所述的一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构的制备方法，其特征在于，所述铸膜法的固化温度为180-280℃，固化时间为0.5-3h。

技术总结
本发明属于液流电池电堆技术领域，公开了一种全钒液流电池用电极与离子交换膜的一体化结构及其制备方法，结构为电极材料与离子交换膜的一体化结构，电极材料的纵向碳纤维嵌入离子交换膜中；制备方法为离子交换膜生产过程中，树脂溶液固化之前，将电极材料平铺到树脂溶液表层，使电极材料的一部分进入到树脂溶液中，但不完全进入，当树脂溶液固化后，便形成了电极和膜的一体化结构。本发明可以减小电极和膜之间的接触电阻，提高电堆性能；有效保护离子膜，避免电极表面的纵向碳纤维刺穿离子膜造成电堆内漏，提高电堆的可靠性；简化装堆工艺，提高电堆装堆效率，提高成品率。提高成品率。


技术研发人员：王紫雪 江杉 胡伊宁 刘盛林 王世宇
受保护的技术使用者：大连融科储能技术发展有限公司
技术研发日：2022.08.10
技术公布日：2022/11/18