CN112993297A - 一种液流电池用双极板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液流电池用双极板的制备方法，能够一步法实现从粉料到片状制品的连续化生产，包括如下步骤：将聚合物、导电填料和润滑剂通过强制计量喂料机按所需比例送入平行双螺杆挤出机进行混炼，料筒温度为180‑250℃，主机转速为30‑50r/min；双螺杆混炼后的料不造粒直接进入单螺杆挤出机进行挤出制成碳塑复合双极板，料筒温度为160～250℃，口模温度为200～260℃，主机转速为15～45rpm。该方法采用双螺杆挤出机用于导电填料与聚合物的混炼，混炼更加均匀，可以有效减少导电填料的团聚，避免“杂质”出现，且工序简单，生产效率高，能耗低，占地面积小。

Description

一种液流电池用双极板的制备方法
技术领域
本发明涉及化学储能技术中的液流电池领域，特别涉及一种液流电池的双极板及其制备方法。
背景技术
全钒液流电池因其具有输出功率和容量相互独立，***设计灵活；能量效率高，寿命长，运行稳定性和可靠性高，自放电低；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低，安全性高等优点，在规模储能方面具有广阔的发展前景，被认为是解决太阳能、风能等可再生能源发电***随机性和间歇性非稳态特征的有效方法，在可再生能源发电和智能电网建设中有着重大需求。
双极板作为液流电池的关键部件，起着将单电池串联起来组成电堆的作用，需要具有良好的导电性、阻液性、化学稳定性以及一定的机械强度。目前主要用到的双极板材料为硬质石墨板和碳塑复合材料。硬质石墨板具有电导率高、阻液性和化学稳定性好的特点，但高成本、机械性能差限制了其实际应用。碳塑复合材料是目前广受关注的一种双极板材料，主要优点是加工简单，成本低廉，易于实现大规模生产。然而，这种材料导电性较差，为了提高导电性，需要提高材料中的导电填料含量。为制备体电导率高于5S/cm的碳塑复合双极板材料，通常导电填料的质量分数要达到50％以上。
这种碳塑复合材料的制备方法通常是先将导电填料与聚合物在密炼机中混合均匀，然后冷却粉碎，再通过单螺杆挤出机挤出成型，工序繁复，占地面积大，生产周期长。而且，密炼机密炼时经常会有一些导电填料未完全分散，会有一些团聚的导电填料进入到下一工序，在单螺杆挤出成型时往往需要反复挤出以除去这些“杂质”，生产效率低下。
发明内容
本发明旨在提供一种简单高效的液流电池用双极板制备方法，一步法实现从粉料到片状制品的连续化生产，在保证产品质量的前提下提高生产效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供的一种双极板的制备方法，双极板制备方法包括如下步骤：将聚合物、导电填料和润滑剂通过计量喂料机按所需比例送入平行双螺杆挤出机进行混炼，料筒温度为180-250℃，主机转速为20-60r/min；双螺杆混炼后的混合物料直接进入单螺杆挤出机进行挤出制成碳塑复合双极板，所述单螺杆挤出机的料筒温度为160～250℃，口模温度为200～260℃，主机转速为20～50rpm。
基于以上技术方案，优选的，所述计量喂料机为强制计量喂料机，所述双螺杆挤出机的料斗中具有螺旋搅拌装置，以保证各种物料的稳定输送，避免石墨粉或炭黑在料斗中搭桥。
所述平行双螺杆挤出机的机头处不设置分流板。基于以上技术方案，优选的，所述聚合物为聚丙烯、高密度聚乙烯中的一种或两种，聚合物的质量分数为25-50％。
基于以上技术方案，优选的，所述导电填料为石墨粉、导电炭黑、碳纤维粉、短切碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种，导电填料的质量分数为50-70％。
基于以上技术方案，优选的，所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、硬酯酸钙、硬酯酸锌、石蜡、乙烯基双硬脂酰胺中的一种或二种以上，润滑剂的质量分数为0.5-5％。
基于以上技术方案，优选的，所述聚合物为熔融指数为0.05-10的挤出级聚丙烯或聚乙烯。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到的双极板。
本发明所述双极板可应用于全钒液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠溴液流电池或锌镍液流电池中。
有益效果
(1)采用本发明的双极板制备方法，与现有的碳塑复合材料双极板制备方法相比，一步法实现从粉料到片状制品的制备，工序简单，生产效率高，能耗低，占地面积小。
(2)采用本发明的双极板制备方法，与现有的碳塑复合材料双极板制备方法相比，采用双螺杆挤出机用于导电填料与聚合物的混炼，混炼更加均匀，可以有效减少导电填料的团聚，避免“杂质”出现，提高了产品质量及成品率。相同配方的条件下本方法制备的复合板电导率较传统工艺制备的复合板提高了25％。
(3)采用本发明的双极板制备方法，双螺杆挤出机高效混炼完成后，物料不经机头背压滞留直接进入低速低剪切单螺杆降温进行稳压挤出，避免了双螺杆高剪切引起的高熔温物料在双螺杆头部滞留分解，保证了双极板制品的质量和高生产效率。
具体实施方式
实施例1
将高密度聚乙烯(熔融指数为0.05)、炭黑、石墨粉、聚乙烯蜡和硬酯酸锌按照38:30:30:1:1的质量比通过计量喂料机送入平行同向双螺杆挤出机中，高密度聚乙烯质量为19kg，料筒第一到四区温度分别为180、200、230、240℃，主机转速为40r/min；双螺杆混炼后的料直接进入单螺杆挤出机进行挤出，料筒第一到四区温度分别为160、180、200、220℃，口模第一到五区温度分别为250、230、200、230、250℃，主机转速为35rpm，挤出片材并压延成型制得1mm厚碳塑复合双极板。一次成板成品率达到80％，其余表面有“杂质”(即未完全分散碳粉)的复合板需要人工将杂质除掉后再进行二次挤出成型。
实施例2
将聚丙烯(熔融指数为2)、炭黑、石墨粉、聚乙烯蜡和硬酯酸锌按照44:27:27:1:1的质量比通过计量喂料机送入平行同向双螺杆挤出机中，聚丙烯质量为22kg，料筒第一到四区温度分别为180、200、210、220℃，主机转速为40r/min；双螺杆混炼后的料直接进入单螺杆挤出机进行挤出，料筒第一到四区温度分别为160、180、200、210℃，口模第一到五区温度分别为230、210、190、210、230℃，主机转速为35rpm，挤出片材并压延成型制得1mm厚碳塑复合双极板。一次成板成品率达到80％，其余表面有“杂质”(即未完全分散碳粉)的复合板需要人工将杂质除掉后再进行二次挤出成型。
实施例3
将聚丙烯(熔融指数为0.05)、炭黑、石墨粉、聚乙烯蜡和硬酯酸锌按照34:32:32:1:1的质量比通过计量喂料机送入平行同向双螺杆挤出机中，聚丙烯质量为17kg，料筒第一到四区温度分别为180、200、210、210℃，主机转速为45r/min；双螺杆混炼后的料直接进入单螺杆挤出机进行挤出，料筒第一到四区温度分别为180、190、200、220℃，口模第一到五区温度分别为240、220、200、220、240℃，主机转速为30rpm，挤出片材并压延成型制得1mm厚碳塑复合双极板。一次成板成品率达到80％，其余表面有“杂质”(即未完全分散碳粉)的复合板需要人工将杂质除掉后再进行二次挤出成型。
对比例1
分别称取聚丙烯(熔融指数为0.5)1.9kg，石墨粉1.5kg，碳黑1.5kg，聚乙烯蜡50g，硬酯酸锌50g，加入到密炼机中，密炼温度为200℃，转子转速为50r/min，密炼时间20分钟。然后将混合均匀的密炼料经粉碎机粉碎后送入单螺杆挤出机中，挤出机料筒温度为215℃，主机转速为30rpm，口模温度为220℃，挤出片材并压延成型制得1mm厚碳塑复合双极板。一次成板成品率仅为20％，其余表面有“杂质”(即未完全分散碳粉)的复合板需要人工将杂质除掉后再反复进行二次或三次挤出成型。
分别测试本发明实施例中碳塑复合双极板的电导率、力学性能，结果列于表1。与对比例相比，本发明的导电性能和机械性能并未降低，而本发明具有生产效率高的优势。而且相同配方的前提下，本发明制备的双极板由于导电填料的分散效果更好，电导率更高。
表1
Figure BDA0002318310010000041
对比例2
将高密度聚乙烯(熔融指数为0.05)、炭黑、石墨粉、聚乙烯蜡和硬酯酸锌按照38:30:30:1:1的质量比通过强制计量喂料机送入平行同向双螺杆挤出机中，高密度聚乙烯质量为19kg，料筒第一到四区温度分别为180、200、230、240℃，主机转速为40r/min；双螺杆混炼后的料直接通过片材口模进行挤出成型，然而由于机头压力不稳定无法稳定出板。
对比例3
将高密度聚乙烯(熔融指数为0.05)、炭黑、石墨粉、聚乙烯蜡和硬酯酸锌按照38:30:30:1:1的质量比通过计量喂料机送入平行同向双螺杆挤出机中，高密度聚乙烯质量为19kg，料筒第一到四区温度分别为180、200、230、240℃，主机转速为40r/min；单螺杆挤出机料筒第一到四区温度分别为160、180、200、220℃，口模第一到五区温度分别为250、230、200、230、250℃，主机转速为35rpm。由于双螺杆挤出机机头处设置有分流板，导致高固含量的混炼料到达分流板时容易将分流板的孔堵住，造成压力过大，出料不稳定，无法连续生产。

Claims (9)

1.一种液流电池用双极板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将聚合物、导电填料和润滑剂通过计量喂料机分别送入平行双螺杆挤出机进行混炼，混炼后的混合物料直接进入单螺杆挤出机进行挤出制成所述双极板，所述平行双螺杆挤出机的料筒温度为180-250℃，主机转速为30-50r/min；所述单螺杆挤出机的料筒温度为160～250℃，口模温度为200～260℃，主机转速为15～45rpm；所述将聚合物、导电填料和润滑剂的质量比为25-50:50-70:0.5-5。
2.根据权利要求1所述双极板的制备方法，其特征在于：所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述双极板的制备方法，其特征在于：所述导电填料为石墨粉、导电炭黑、碳纤维粉、短切碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种；
所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、硬酯酸钙、硬酯酸锌、石蜡、乙烯基双硬脂酰胺中的一种或二种以上。
4.根据权利要求1所述双极板的制备方法，其特征在于：所述聚丙烯和聚乙烯的熔融指数为0.05-10。
5.根据权利要求1所述双极板的制备方法，其特征在于：所述熔融指数为采用ASTMD1238标准测试方法在230℃/2.16kg条件下测得。
6.根据权利要求1所述双极板的制备方法，其特征在于：所述计量喂料机为强制计量喂料机，所述双螺杆挤出机的料斗中具有螺旋搅拌装置。
7.根据权利要求1所述双极板的制备方法，其特征在于：所述平行双螺杆挤出机的机头处不设置分流板。
8.一种权利要求1-7任意一项所述制备方法制备得到的双极板。
9.一种权利要求8所述的双极板的应用，其特征在于，所述双极板应用于全钒液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠溴液流电池或锌镍液流电池。
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