本發(fā)明涉及復(fù)合材料雙極板的制備，尤其涉及一種用于全釩液流電池的復(fù)合材料雙極板的制備方法。

背景技術(shù)：

1、雙極板作為液流電池電堆中的關(guān)鍵材料之一，起到了支撐電極和離子膜、傳導(dǎo)和收集充放電過程中產(chǎn)生的電流，阻隔兩側(cè)電解液等作用。因此理想的雙極板需要具備良好的導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、以及一定的機械強度。

2、現(xiàn)有技術(shù)常通過采用不同尺寸以及不同維度的碳材料進行配合使用，從而在減少碳材料用量的同時提高導(dǎo)電率，其中大尺寸的石墨起到構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)骨架的作用，大尺寸石墨間接觸面積較大有助于降低導(dǎo)電碳材料之間的接觸電阻，從而提高雙極板的導(dǎo)電性能。小尺寸的碳材料具有較大的比表面積，可以作為次要填料填補石墨顆粒之間的孔隙，貫通導(dǎo)電通路，從而提高復(fù)合雙極板的電導(dǎo)率。

3、為了解決碳材料與聚合物之間、碳材料與碳材料之間的混著問題，現(xiàn)有技術(shù)常采用熔融共混或者機械混合技術(shù)。其中熔融共混過程中大尺寸石墨容易在強剪切力下破碎，從而導(dǎo)致雙極板的電導(dǎo)率下降、透氣率上升；為了使碳材料達到良好的分散效果，實際生產(chǎn)中常需要進行多次熔融共混，這會導(dǎo)致有機高分子聚合物降解從而使雙極板的彎曲強度下降；同時經(jīng)過熔融共混的石墨表面會堆積大量的聚合物，模壓過程中在壓力的作用下會堆積在雙極板的表面從而導(dǎo)致雙極板的接觸電阻提高，電導(dǎo)率下降；機械混合常采用球磨或三維混合儀進行混合，球磨混合會使一部分碳材料附著在石墨表面，從而無法起到貫通導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)材料的效果，碳材料利用率較低；三維混合儀的剪切力太小無法對碳材料進行有效分散，從而導(dǎo)致雙極板的彎曲強度、氣密性、導(dǎo)電性下降；而溶液混合技術(shù)污染大、效率低流程長經(jīng)濟性和環(huán)保性低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種用于全釩液流電池的高導(dǎo)電性、高機械性能的復(fù)合材料雙極板的制備方法。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供一種用于全釩液流電池的復(fù)合材料雙極板的制備方法，包括以下步驟：

4、（1）將石墨與有機高分子聚合物混合后球磨，得到有機高分子聚合物包覆石墨的主混料；

5、（2）有機高分子聚合物、碳材料、潤滑劑、偶聯(lián)劑混合攪拌，得到混合粉料；將混合粉料加入雙螺桿擠出機熔融共混得到共混物，將共混物造粒，粉碎，過篩后得到母粒粉末；

6、（3）將主混料與母粒粉末混合、模壓后得到用于全釩液流電池的復(fù)合材料雙極板。

7、優(yōu)選地，所述步驟（1）中，石墨為鱗片石墨或膨脹石墨或人造石墨中的任意一種，石墨的尺寸為32-150目；有機高分子聚合物為聚乙烯或聚丙烯或聚偏氟乙烯中的任意一種，有機高分子聚合物的粒度為1000-2000目，熔融指數(shù)為0.5-3g/10min。

8、優(yōu)選地，所述步驟（1）中，有機高分子聚合物與石墨的質(zhì)量比為1：10-20。

9、優(yōu)選地，所述步驟（2）中，有機高分子聚合物與所述步驟（1）中的有機高分子聚合物種類相同；碳材料為石墨粉或炭黑或碳納米管或科琴黑或石墨烯中的至少一種；潤滑劑為聚乙烯蠟或石蠟或聚丙烯蠟或硬脂酸中的任意一種；偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑或鈦酸酯偶聯(lián)劑中的任意一種。

10、優(yōu)選地，所述步驟（2）中，有機高分子聚合物、碳材料、偶聯(lián)劑和潤滑劑的質(zhì)量比為13-26.6：2-10：0.5-1：0.5-1。

11、優(yōu)選地，所述步驟（2）中，母粒粉末的粒徑為200-400目。

12、優(yōu)選地，所述步驟（3）中，主混料與母粒粉末的質(zhì)量比為0.4-0.6：0.6-0.4。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

14、現(xiàn)有的熔融共混技術(shù)會因剪切力過大而破壞石墨的結(jié)構(gòu)，提高了石墨之間的接觸電阻，增加了雙極板中的缺陷，從而導(dǎo)致雙極板的彎曲性能、氣密性、導(dǎo)電性下降，而本發(fā)明首先將石墨與有機高分子聚合物混合后球磨，得到有機高分子聚合物包覆石墨的主混料，石墨不需要通過熔融共混來進行分散，保護了石墨的結(jié)構(gòu)，從而提高了雙極板的彎曲性能、氣密性、導(dǎo)電性。

15、現(xiàn)有的熔融共混技術(shù)會在石墨表面包裹很厚的有機高分子聚合物層，這是因為有機高分子聚合物在熔體條件下具有較高的流動性。本發(fā)明利用球磨粒子之間的擠壓、沖擊、摩擦等物理作用，將少量有機高分子聚合物包覆在石墨的表面，減少了石墨表面聚合物層的厚度；并且通過制備母粒粉末，在聚合物中摻雜了大量的碳材料提高了聚合物的熔體黏度，另一方面控制母粒粉末的粒徑在200-400目，抑制了聚合物在熔體狀態(tài)下的流動性，從而降低了雙極板的接觸電阻。

16、現(xiàn)有的熔融共混技術(shù)為了實現(xiàn)不同維度碳材料的均勻混合，需要長時間熔融共混或是多次熔融共混，這會導(dǎo)致有機高分子聚合物的熱降解，從而導(dǎo)致雙極板的彎曲強度下降，以及更高的能耗與更低的生產(chǎn)效率，本發(fā)明通過步驟（1）以及步驟（2）實現(xiàn)了不同尺寸碳材料的分步混合，從而提高了混合效率，縮短了混合時間。

17、現(xiàn)有的單次混合技術(shù)如三維混合、球磨等技術(shù)無法同時實現(xiàn)聚合物、碳材料、石墨的均勻分散，從而導(dǎo)致雙極板內(nèi)缺陷較多，雙極板的彎曲強度較低，電導(dǎo)率較低，本發(fā)明通過步驟（1）以及步驟（2）實現(xiàn)了不同尺寸碳材料的分步混合，實現(xiàn)了聚合物、碳材料、石墨的均勻分散，提高了雙極板的彎曲強度和電導(dǎo)率。

18、本發(fā)明通過控制主混料以及母粒粉末的比例在1-1.5：1.5-1的范圍時，制備出來的雙極板，碳材料、聚合物及石墨的比例適宜，雙極板內(nèi)部缺陷較少，表面聚合物堆積較少，雙極板的彎曲強度較高。

19、本發(fā)明采用串聯(lián)雙螺桿擠出機制備母粒粉末，相較于常見的嚙合同向雙螺桿擠出機具有更好的輸送能力，能夠減少熔融共混的時間防止聚合物的降解，相較于非嚙合異向雙螺桿擠出機具有更強的剪切力有助于碳材料分散在聚合物中。

技術(shù)特征：

1.一種用于全釩液流電池的復(fù)合材料雙極板的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（1）中，石墨為鱗片石墨或膨脹石墨或人造石墨中的任意一種，石墨的尺寸為32-150目；有機高分子聚合物為聚乙烯或聚丙烯或聚偏氟乙烯中的任意一種，有機高分子聚合物的粒度為1000-2000目，熔融指數(shù)為0.5-3g/10min。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（1）中，有機高分子聚合物與石墨的質(zhì)量比為1：10-20。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（2）中，有機高分子聚合物與所述步驟（1）中的有機高分子聚合物種類相同；碳材料為石墨粉或炭黑或碳納米管或科琴黑或石墨烯中的至少一種；潤滑劑為聚乙烯蠟或石蠟或聚丙烯蠟或硬脂酸中的任意一種；偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑或鈦酸酯偶聯(lián)劑中的任意一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（2）中，有機高分子聚合物、碳材料、偶聯(lián)劑和潤滑劑的質(zhì)量比為13-26.6：2-10：0.5-1：0.5-1。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（2）中，母粒粉末的粒徑為200-400目。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟（3）中，主混料與母粒粉末的質(zhì)量比為1-1.5：1.5-1。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于復(fù)合材料雙極板的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于全釩液流電池的復(fù)合材料雙極板的制備方法，將石墨與有機高分子聚合物混合后球磨，得到有機高分子聚合物包覆石墨的主混料；將有機高分子聚合物、碳材料、潤滑劑、偶聯(lián)劑混合攪拌，得到混合粉料；將混合粉料加入串聯(lián)雙螺桿擠出機熔融共混得到共混物，將共混物造粒，粉碎，過篩后得到母粒粉末；將主混料與母粒粉末混合、模壓后得到用于全釩液流電池的復(fù)合材料雙極板。上述方法制備的復(fù)合材料雙極板具有高導(dǎo)電性和高機械性能，可以顯著提升全釩液流電池的各項性能。

技術(shù)研發(fā)人員：張?zhí)焓?秦妍,張琦,鐘鈺昕,王淑坤,袁玉慧,王琳琳,張明昌
受保護的技術(shù)使用者：山東?；瘓F有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21