电极组件、膜电极组件以及由这些组件制成的电化学电池和液流蓄电池制造技术

技术编号:19398289 阅读:32 留言:0更新日期:2018-11-10 05:25
本发明专利技术涉及电极组件、膜电极组件以及由这些组件制成的电化学电池和液流蓄电池。所述电极组件和所述膜电极组件包括:(i)多孔电极,所述多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙;(ii)不连续输送保护层,所述不连续输送保护层包括聚合物、设置在所述第一主表面上并具有基本上平行于所述第一主表面的横截面积Ap;以及(iii)界面区域,其中所述界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的所述聚合物的一部分,嵌入所述聚合物的一部分中的所述多孔电极的一部分,或其组合;并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae,并且所述多孔电极和所述不连续输送保护层形成一体结构。本公开还提供了制备所述电极组件和所述膜电极组件的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极组件、膜电极组件以及由这些组件制成的电化学电池和液流蓄电池
本专利技术整体涉及可用于制造电化学电池和蓄电池的组件。具体地讲,本专利技术涉及电极组件、膜电极组件以及由这些组件制成的电化学电池和液流蓄电池。本公开还提供了制备电极组件和膜电极组件的方法。
技术介绍
本领域已公开可用于形成电化学电池和氧化还原液流蓄电池的各种部件。这些部件在例如美国专利No.5,648,184、No.8,518,572和No.8,882,057中有所描述。
技术实现思路
在一个实施方案中,本公开提供了一种电极组件,该电极组件包括:多孔电极,其具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙;不连续输送保护层,其包括聚合物、设置在第一主表面上并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap;以及界面区域,其中该界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分、嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分或其组合;并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae,并且多孔电极和不连续输送保护层形成一体结构。在另一个实施方案中,本公开提供了一种制备电极组件的方法,该方法包括:提供多孔电极,该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙;在第一主表面上设置不连续输送保护层,该输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap;形成界面区域,其中不连续输送保护层的一部分嵌入多个空隙的至少一部分中,多孔电极的一部分嵌入聚合物的一部分中,或其组合;并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae,并且多孔电极和聚合物层形成一体结构。在又一个实施方案中,本公开提供了膜电极组件,该膜电极组件包括:根据本公开的电极组件中任一个所述的第一电极组件和设置在不连续输送保护层的与界面区域相反的主表面附近或该主表面上的离子可渗透膜;并且其中第一电极组件和离子可渗透膜形成一体结构。在一些实施方案中,膜电极组件还可包括至少一个粘合剂层和/或至少一个垫圈。在另一个实施方案中,本公开提供了电化学电池,该电化学电池包括根据本公开的电极组件中任一个所述的电极组件。在另一个实施方案中,本公开提供了电化学电池,该电化学电池包括根据本公开的膜电极组件中任一个所述的膜电极组件。在另一个实施方案中,本公开提供了液流蓄电池,该液流蓄电池包括根据本公开的电极组件中任一个所述的电极组件。在另一个实施方案中,本公开提供了液流蓄电池,该液流蓄电池包括根据本公开的膜电极组件中任一个所述的膜电极组件。附图说明图1A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。图1B为根据本公开的一个示例性实施方案的图1A的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。图1C为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。图1D为根据本公开的一个示例性实施方案的图1C的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。图1E为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。图1F为根据本公开的一个示例性实施方案的图1E的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。图1G为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。图1H为根据本公开的一个示例性实施方案的图1G的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。图1I为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。图1J为根据本公开的一个示例性实施方案的图1I的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。图1K为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。图1L为根据本公开的一个示例性实施方案的图1K的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。图1M为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。图1N为根据本公开的一个示例性实施方案的图1M的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。图2A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图2B为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图3为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电化学电池的示意性横截面侧视图。图4为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电化学电池组的示意性横截面侧视图。图5为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性单电池液流蓄电池的示意图。图6为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。图7为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。图8为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。图9为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。图10为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。图11为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。图12A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件(通过图12B的线12A截取)的示意性横截面侧视图。图12B为根据本公开的一个示例性实施方案的图12A的示例性膜电极组件的粘合剂层平面中的示意性顶视图。图12C为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图12D为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图12E为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图12F为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图12G为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图12H为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图13A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件(通过图13B的线13A截取)的示意性横截面侧视图。图13B为根据本公开的一个示例性实施方案的图13A的示例性膜电极组件的粘合剂层平面中的示意性顶视图。图13C为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图13D为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图13E为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图13F为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图13G为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图13H为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图14A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件(通过图14B的线14A截取)的示意性横截面侧视图。图14B为根据本公开的一个示例性实施方案的图14A的示例性膜电极组件的粘合剂层平面中的示意性顶视图。在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。附图可不按比例绘制。如本文所用,除非另外指明,否则应用于数值范围的字词“介于......之间”包括该范围的端值。由端值进行的对数值范围表述包括该范围内的所有数字(如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。除非另外指明,否则说明书和权利要求书中所使用的表达特征尺寸、量和物理特性的所有数在所有情况下均应理解成由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极组件,包括:多孔电极,所述多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙;不连续输送保护层,所述不连续输送保护层包括聚合物、设置在所述第一主表面上并具有基本上平行于所述第一主表面的横截面积Ap;以及界面区域,其中所述界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的所述聚合物的一部分,嵌入所述聚合物的一部分中的所述多孔电极的一部分,或其组合;以及其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae,并且所述多孔电极和所述不连续输送保护层形成一体结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.17 US 62/309,721;2016.08.11 US 62/373,6281.一种电极组件,包括:多孔电极,所述多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙;不连续输送保护层,所述不连续输送保护层包括聚合物、设置在所述第一主表面上并具有基本上平行于所述第一主表面的横截面积Ap;以及界面区域,其中所述界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的所述聚合物的一部分,嵌入所述聚合物的一部分中的所述多孔电极的一部分,或其组合;以及其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae,并且所述多孔电极和所述不连续输送保护层形成一体结构。2.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述多个空隙使得能够在所述多孔电极的所述第一主表面的至少一部分与相反的第二主表面之间流体连通。3.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层是非导电的。4.根据权利要求1所述的电极组件,其中0.02Ae≤Ap≤0.5Ae。5.根据权利要求1所述的电极组件,其中0.02Ae≤Ap≤0.3Ae。6.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层具有厚度Tp,所述界面区域具有厚度Ti,并且比率Ti/Tp为约0.005至约0.8。7.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层包括多个离散结构、网状结构、织造结构和非织造结构中的至少一者。8.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层包括多个离散结构。9.根据权利要求8所述的电极组件,其中所述多个离散结构的厚度为约0.050微米至约3000微米。10.根据权利要求8所述的电极组件,其中所述多个离散结构呈一定图案。11.根据权利要求8所述的电极组件,其中所述多个离散结构包括多条不相交的连续线。12.根据权利要求11所述的电极组件,其中所述多条不相交的连续线是直线。13.根据权利要求11所述的电极组件,其中所述多条不相交的连续线的间距为约0.3mm至约11mm。14.根据权利要求11所述的电极组件,其中所述多条不相交的连续线的宽度为约0.01mm至约10mm。15.根据权利要求11所述的电极组件,其中所述多条不相交的连续线在约2cm至约所述多孔电极的长度的长度范围内基本上平行。16.根据权利要求8所述的电极组件,其中所述多个离散结构的最长尺寸为约10微米至约5000微米。17.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层包括网状结构、织造结构和非织造结构中的至少一者。18.根据权利要求17所述的电极组件,其中所述织造结构、所述非织造结构和所述网状结构中的至少一者的体积孔隙率和开口面积孔隙率中的至少一者为介于约0.10和约0.995之间。19.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层含有介于0重量%和5重量%之间的导电颗粒和非导电颗粒的至少一种。20.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层包括热塑性塑料和B阶热固性塑料中的至少一种。21.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层在25摄氏度下是非粘性的。22.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层的所述聚合物的软化温度为约50摄氏度至约400摄氏度。23.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层的所述聚合物为孔隙率为介于约0体积%和约5体积%之间的固体。24.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层包含约5重量%至约100重量%的亲水性聚合物。25.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述不连续输送保护层还包括亲水性涂层。26.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述多孔电极包括约5重量%至约100重量%的石墨粒子、石墨薄片、石墨纤维和石墨枝晶中的至少一者。27.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述多孔电极包括约30重量%至约100重量%的导电碳颗粒。28.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述导电碳颗粒为碳粒子、碳薄片、碳枝晶、碳纳米管和分叉碳纳米管中的至少一者。29.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述导电碳颗粒为石墨粒子、石墨薄片、石墨纤维和石墨枝晶中的至少一者。30.根据权利要求1所述的电极组件,其中所述多孔电极包括约50重量%至约100重量%的碳纤维。31.一种制备电极组件的方法,包括:提供多孔电极,所述多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙;在所述第一主表面上设置不连续输送保护层,所述输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于所述第一主表面的横截面积Ap;形成界面区域,其中所述不连续输送保护层的一部分嵌入所述多个空隙的至少一部分中,所述多孔电极的一部分嵌入所述聚合物的一部分中,或其组合;以及其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae,并且所述多孔电极和所述聚合物层形成一体结构。32.根据权利要求31所述的制备电极组件的方法,其中所述设置步骤包括挤出、印刷和转移层压中的至少一种。33.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员:布赖恩·T·韦伯布兰登·A·巴特林奥努尔·S·尤戴姆雷蒙德·P·约翰斯顿安德鲁·T·豪格约翰·E·阿布鲁格雷戈里·M·豪根野田一树铃木俊介吉米·M·李布莱克·R·格里菲思丹尼尔·E·约翰逊巴拉特·R·阿查里雅布拉德利·W·伊顿迈克尔·D·罗曼诺丹尼尔·M·皮尔庞特大卫·J·米勒埃里克·J·埃威逊
申请(专利权)人:三M创新有限公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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