一种高碳含量的碳素双极板、其制备工艺及用途

摘要

本发明提供一种高碳含量的碳素双极板、其制备工艺及用途，所述高碳含量的碳素双极板的制备方法包括以下步骤：步骤1、使用有机溶剂分散有机塑料，加入碳材料，搅拌、糅合，获得面团状浆料；步骤2、将面团状浆料压制成平板，加热使有机溶剂蒸发，获得干燥的平板；步骤3、对平板施加一定压强，并保压一定时间，获得双极板。本发明还公开了上述方法制备的双极板在燃料电池、钒电池领域的应用。本发明高碳含量的碳素双极板的制备方法能实现低成本、高效率、高电导率双极板的生产。

说明书

技术领域

本发明涉及电池极板技术，尤其涉及一种高碳含量的碳素双极板、其制备工艺及用途。

背景技术

碳塑双极板广泛用于燃料电池、钒电池中，起到隔离相邻电池的正负极离子、导通电子的作用，是电池中的核心材料之一。要求双极板具有较高的导电率、较好的液体封闭效果，具有一定的抗拉强度和抗弯折强度。

例如钒电池的双极板，以PP和石墨混合、经过加热密炼混合、热压，获得平整的双极板。

传统的制作方法包括两种：

一种是将碳材料与塑料混合，经过高温密炼混合获得均一的材料，再使用热压工艺获得平整的板材，为了实现混合效果，这种工艺要求较高的塑料比例，通常塑料含量在50％以上，在高温时物料才能具有良好的流动性，顺利实现密炼混合均匀，但这样会导致双极板的导电率较低，只有约为10s/cm左右，而且进一步的，部分塑料，例如含氟的塑料软化温度高，密炼时需要加高温，导致氟的逸出，腐蚀设备，同时带来安全隐患，此外氟材料价格昂贵，该工艺的成本居高不下。

另一种方法是模压工艺，将碳材料粉末与塑料粉末经过物理混合，冷模压、热压获得平整的板材。这种工艺的问题在于碳材料与塑料的物理性质差距大，简单的物理混合难以获得均匀的材料，导致最终的板材性质均匀程度较差。同时粉末的模压工艺生产效率低下，导致成本难以降低。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有碳塑双极板存在的诸多问题，提出一种双极板的制备方法，以实现低成本、高效率、高电导率双极板的生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高碳含量的碳素双极板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、使用有机溶剂分散有机塑料，加入碳材料，搅拌、糅合，获得面团状浆料；

步骤2、将面团状浆料压制成平板，加热使有机溶剂蒸发，获得干燥的平板；

步骤3、对平板施加一定压强，并保压一定时间，获得双极板。

进一步地，步骤1所述有机溶剂为DMF、NMP、苯和甲苯中的一种或多种的混合。

进一步地，步骤1所述有机塑料为HDPE、PP、PE、PVDF、PO和PVC中的一种或多种的混合。

进一步地，步骤1所述碳材料为导电碳黑、石墨、短切碳纤维、膨胀石墨、石墨烯和碳纳米管中的一种或多种的混合。

进一步地，步骤1所述有机塑料和碳材料的质量比为0.5：9.5～4：6，优选的质量比为1：8～3：5。

进一步地，步骤1所述有机溶剂、总固体的质量比为3:7～6:4，优选的质量比为1:2～1:1，所述总固体为有机塑料和碳材料两者之和。

进一步地，步骤1所述分散、搅拌、糅合均在室温下完成。

进一步地，步骤2所述加热温度为梯度加热，第一梯度加热温度为50-200度，加热时间为0.5-10h；第二梯度加热温度为210-250度，加热时间为0.5-2h。

进一步地，步骤2中平板厚度为0.2-5mm，优选为1-3mm。

进一步地，步骤3所述压强为20-300MPa，优选100-200Mpa；所述保压时间为0-30min，优选为5～300s。

本发明的另一个目的还公开了一种高碳含量的双极板采用上述方法制备而成。该极板的含碳量高达80％wt以上，具有100S/cm以上的导电率。

本发明的另一个目的还公开了一种上述高碳含量的双极板在燃料电池、钒电池领域的应用。

本发明双极板制备工艺综合了密炼工艺与模压工艺的优点，与现有技术相比较具有以下优点：

1)通过有机溶剂、有机塑料和碳材料的湿混，有效提高了碳材料的比例，成品的导电率，与高温密炼工艺相比，由10s/cm提高到100s/cm以上；

2)本发明降低了昂贵的塑料比例，降低了总体成本；

3)本发明双极板制备工艺避免了高温密炼过程，防止了塑料高温分解产生的有毒气体；

4)本发明双极板制备工艺避免使用粉末模压工艺，能实现连续自动化生产、提高了生产效率。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种双极板，采用下述方法制备而成：

用将0.2Kg PP粉缓慢加入1.2kgDMF中，经过剧烈搅拌混合，形成分散良好的浆液；

继续加入0.8Kg的石墨粉，10g碳纳米管，混合均匀得到面团状浆料；将上述混合物，在平板压机上压成厚度3mm的平板；

将上述平板经过150度1h、250度1h干燥，获得干燥的平板；

热压150Mpa，保压10min，获得成型板材，即为双极板。

表征电导率为180s/cm，板材厚度为0.8mm，透气率为1×10^-8，密度1.85g/ml，抗拉强度为20Mpa，抗弯强度未21MPa。

本实施例双极板在燃料电池、钒电池领域的应用。

以上述板材雕刻成10cm×10cm的极板，Nafion 212，碳毡，框，封板，组装成5节串联的钒电池，正负极两侧各装入500ml3.5价含钒电解液，进行充放电测试，充放电电压范围为1～1.55V，0.5C，测得初始电压效率为88％，库伦效率92％，能量效率为81％。

以普通PP/C复合板作为对照，测试条件同上，测得初始电压效率为82％，库伦效率为91％，能量效率为75％。

显然，由于本工艺制得的双极板电导率更高，相同的电流条件下，能量利用率更高。

实施例2

将0.15KgPVDF与0.85Kg石墨粉、0.6Kg NMP，在密炼机上室温密炼得到均一的泥状物。

使用冷压机将泥状物压成湿板材；

分别经过200度1h干燥、250度0.5h干燥；

以热压机热压，获得成型板材，热压条件为：200Mpa，170度，保压1min。

所得双极板导电率为210s/cm，板材厚度为0.9mm，透气率为1×10^-8密度2.1g/ml，抗拉强度为15Mpa，抗弯曲强度为18Mpa。

在上述基础上，将石墨粉质量降低到0.8Kg，并增加0.05Kg的3mm短切碳纤维，其他成分、配比，以及加工工艺保持不变，获得板材，抗拉强度提升到45Mpa，抗弯曲强度提升到21Mpa。

由此可见，短切碳纤维可以显著地提高成品板材的抗拉强度。

实施例3

PVDF与膨胀石墨、NMP，按照0.2：0.8：0.8的质量比混合，经过冷压形成板材；

经过180度烘干1h，240度烘干1h，获得干燥的硬板；

经过热压成型，获得成品，热压工艺为：

180MPa，185度，保压2min。

所得板材的厚度为0.6mm，密度为1.88g/ml，导电率为220s/cm，透气率为1×10^-7.5，抗拉强度为25Mpa，抗弯曲强度为23Mpa

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。