多孔电极、膜‑电极组件、电极组件以及由其制成的电化学电池和液流蓄电池制造技术

本公开涉及多孔电极、膜‑电极组件、电极组件，以及由其制成的电化学电池和液流蓄电池。本公开还提供了制作电极、膜‑电极组件和电极组件的方法。所述多孔电极包含聚合物(例如，非导电聚合物颗粒纤维)和导电碳颗粒。所述非导电聚合物颗粒纤维可为第一多孔基材形式，其中所述第一多孔基材为织造或非织造的纸、毡、垫和布中的至少一种。所述膜‑电极组件和所述电极组件可由本公开的所述多孔电极制成。所述电化学电池和所述液流蓄电池可由本公开的所述多孔电极、所述膜‑电极组件和所述电极组件制成。

Porous electrode, membrane electrode assembly, electrode assembly and electrochemical cell and liquid flow battery made therefrom

The present invention relates to a porous electrode, membrane electrode assembly, electrode assembly, and electrochemical cell and liquid flow battery made therefrom. The invention also provides a method for manufacturing the electrode, membrane electrode assembly and electrode assembly. The porous electrode includes a polymer (for example, a non conductive polymer particle fiber) and a conductive carbon particle. The non conductive polymer particle fiber can be the first porous substrate form, wherein the first porous substrate is at least one of paper, felt, mat and cloth woven or non-woven. The membrane electrode assembly and the electrode assembly can be made of the porous electrode of the disclosure. The electrochemical cell and the liquid flow battery can be made of the porous electrode, the disclosed the membrane electrode assembly and the electrode assembly.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔电极、膜-电极组件、电极组件以及由其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多孔电极、膜-电极组件和电极组件。本公开还提供了制作多孔电极的方法。
技术介绍
本领域已经公开了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。此类部件在例如美国专利5,648,184、8,518,572和8,882,057中有所描述。
技术实现思路
在一个实施方案中，本公开提供了一种用于液流蓄电池的膜-电极组件，该膜-电极组件包括：离子交换膜，该离子交换膜具有第一表面和相对的第二表面；和第一多孔电极，该第一多孔电极具有第一主表面和第二主表面，该第一多孔电极包含：第一多孔基材形式的非导电聚合物颗粒纤维，其中该第一多孔基材为织造或非织造的纸、毡、垫和布中的至少一种；和导电碳颗粒，该导电碳颗粒嵌入第一多孔基材的孔中并直接粘附到该第一多孔基材的非导电聚合物颗粒纤维的表面；并且其中第一多孔电极的第一主表面与离子交换膜的第一表面靠近或接触。在另一个实施方案中，该膜-电极组件还可包括具有第一主表面和第二主表面的第二多孔电极，该第二多孔电极包括：第二多孔基材形式的非导电聚合物颗粒纤维，其中该第二多孔基材为织造或非织造的纸、毡、垫和布中的至少一种；和导电碳颗粒，该导电碳颗粒嵌入第二多孔基材的孔中并直接粘附到该第二多孔基材的非导电聚合物颗粒纤维的表面；并且其中第二多孔电极的第一主表面与离子交换膜的第二表面靠近或接触。在另一个实施方案中，本公开提供了一种用于液流蓄电池的电极组件，该电极组件包括：第一多孔电极，该第一多孔电极具有第一主表面和第二主表面，该第一多孔电极包含：第一多孔基材形式的非导电聚合物颗粒纤维，其中该第一多孔基材为织造或非织造的纸、毡、垫和布中的至少一种；和导电碳颗粒，该导电碳颗粒嵌入第一多孔基材的孔中并直接粘附到该第一多孔基材的非导电聚合物颗粒纤维的表面；以及第一微孔保护层，该第一微孔保护层具有第一表面和相对的第二表面；并且其中第一多孔电极的第一主表面靠近第一微孔保护层的第一主表面，并且其中第一微孔保护层包含聚合物树脂和导电碳颗粒，以及任选的非导电颗粒。在另一个实施方案中，本公开提供了一种具有第一主表面和第二主表面的用于液流蓄电池的多孔电极，该多孔电极包含：第一多孔基材形式的非导电聚合物颗粒纤维，其中该第一多孔基材为织造或非织造的纸、毡、垫和布中的至少一种；和导电碳颗粒，该导电碳颗粒嵌入第一多孔基材的孔中并直接粘附到该第一多孔基材的非导电聚合物颗粒纤维的表面；并且其中该多孔电极具有小于约100000μOhm·m的电阻率。在又一个实施方案中，本公开提供了一种具有第一主表面和第二主表面的用于液流蓄电池的多孔电极，该多孔电极包含：第一多孔基材形式的非导电聚合物颗粒纤维，其中该第一多孔基材为织造或非织造的纸、毡、垫和布中的至少一种；和导电碳颗粒，该导电碳颗粒嵌入第一多孔基材的孔中并直接粘附到该第一多孔基材的非导电聚合物颗粒纤维的表面；并且其中该多孔电极具有约10微米至约1000微米的厚度。在另一个实施方案中，本公开提供了一种用于液流蓄电池的电化学电池，该电化学电池包括根据本文所公开的膜-电极组件实施方案中任一项的膜-电极组件。在另一个实施方案中，本公开提供了一种用于液流蓄电池的电化学电池，该电化学电池包括根据本文所公开的电极组件实施方案中任一项的至少一个电极组件。在另一个实施方案中，本公开提供了一种液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本文所公开的膜-电极组件实施方案中任一项的至少一个膜-电极组件。在另一个实施方案中，本公开提供了一种液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本文所公开的电极组件实施方案中任一项的至少一个电极组件。在另一个实施方案中，本公开提供了一种用于液流蓄电池的电化学电池，该电化学电池包括根据本文所公开的多孔电极实施方案中任一项的至少一个多孔电极。在另一个实施方案中，本公开提供了一种液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本文所公开的多孔电极实施方案中任一项的至少一个多孔电极。在本公开的多孔电极、膜-电极组件和电极组件，以及由其制成的用于液流蓄电池的电化学电池和液流蓄电池中，包括非导电聚合物颗粒纤维的多孔基材可充当廉价支架，用于支撑直接粘附到其表面的导电颗粒。这种构造使大量的导电颗粒活性表面可用于氧化还原反应，同时保持多孔基材的至少期望量的孔隙度，在例如液流蓄电池电极应用中需要这两种特征。不同于可将导电颗粒与聚合物粘结剂树脂混合的其他方法(利用粘结剂树脂涂覆大部分导电颗粒表面，然后通过固化/干燥粘结剂树脂将其粘合到多孔基材上)，本公开的电极以及由其制造的相应的膜-电极组件和电极组件可不含覆盖导电颗粒大部分表面的粘结剂树脂。因此，本公开的多孔电极可具有改进的电学和/或电化学性能，因为大部分导电颗粒表面可用于氧化还原反应并且多孔电极的孔隙度使得化学反应物(例如，阳极电解液和阴极电解液)能够触及这些表面。在本公开的实施方案中，电极可以是片材形式。附图说明图1A示出了根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极的示意性平面图。图1B示出了图1A的示例性电极的区域40’的示意性平面图。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示出了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2C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2D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极组件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电化学电池堆的示意性横截面侧视图。图6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7为石墨板中的一个的图像，该石墨板具有四条在本公开的电阻率测试方法中使用的蛇形流动通道。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，应用于数值范围的字词“介于……之间”包括该范围的端值，除非另外指明。由端值表述的数值范围包括该范围内的所有数字(例如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使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容来寻求获得的期望性能而变化。应当理解，本领域的技术人员可设计出落入本公开原理的范围和实质内的许多其他修改和实施方案。除非另外指明，否则本文所使用的所有科学和技术术语具有在本领域中所普遍使用的含义。本文提供的定义旨在有利于理解本文频繁使用的某些术语，并无限制本公开范围之意。本说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一种”、“一个”和“所述”均涵盖具有多个指代物的实施方案，除非上下文另有清晰的表示。本说明书和所附权利要求书中使用的术语“或”一般以其包括“和/或”的意义使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于液流蓄电池的膜‑电极组件，所述膜‑电极组件包括：离子交换膜，所述离子交换膜具有第一表面和相对的第二表面；和第一多孔电极，所述第一多孔电极具有第一主表面和第二主表面，所述第一多孔电极包含：第一多孔基材形式的非导电聚合物颗粒纤维，其中所述第一多孔基材为织造或非织造的纸、毡、垫和布中的至少一种；和导电碳颗粒，所述导电碳颗粒嵌入所述第一多孔基材的孔中并直接粘附到所述第一多孔基材的所述非导电聚合物颗粒纤维的表面；并且其中所述第一多孔电极的第一主表面与所述离子交换膜的第一表面靠近。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.24 US 62/137,563;2015.12.18 US 62/269,2271.一种用于液流蓄电池的膜-电极组件，所述膜-电极组件包括：离子交换膜，所述离子交换膜具有第一表面和相对的第二表面；和第一多孔电极，所述第一多孔电极具有第一主表面和第二主表面，所述第一多孔电极包含：第一多孔基材形式的非导电聚合物颗粒纤维，其中所述第一多孔基材为织造或非织造的纸、毡、垫和布中的至少一种；和导电碳颗粒，所述导电碳颗粒嵌入所述第一多孔基材的孔中并直接粘附到所述第一多孔基材的所述非导电聚合物颗粒纤维的表面；并且其中所述第一多孔电极的第一主表面与所述离子交换膜的第一表面靠近。2.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第一多孔电极的导电碳颗粒为碳粒子、碳薄片、碳纤维、碳枝晶、碳纳米管和枝化碳纳米管中的至少一种。3.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第一多孔电极的导电碳颗粒为碳纳米管和枝化碳纳米管中的至少一种。4.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第一多孔电极的导电碳颗粒为碳粒子、碳薄片和碳枝晶中的至少一种。5.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第一多孔电极的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种。6.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第一多孔基材的非导电聚合物颗粒纤维的至少一部分具有核-壳结构，其中所述核-壳结构包括包含第一聚合物的内核以及包含第二聚合物的外壳。7.根据权利要求6所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第二聚合物的软化温度低于所述第一聚合物的软化温度。8.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中包含在所述第一多孔电极中的导电碳颗粒的量为约5重量％至约99重量％。9.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中包含在所述第一多孔电极中的导电碳颗粒的量为约40重量％至约80重量％。10.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第一多孔电极具有约10微米至约1000微米的厚度。11.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第一多孔电极具有小于约100000μOhm·m的电阻率。12.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第一多孔电极的导电碳颗粒具有增强的电化学活性，该增强的电化学活性是通过化学处理、热处理和等离子体处理中的至少一种而产生的。13.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，还包括具有第一主表面和第二主表面的第二多孔电极，所述第二多孔电极包括：第二多孔基材形式的非导电聚合物颗粒纤维，其中所述第二多孔基材为织造或非织造的纸、毡、垫和布中的至少一种；和导电碳颗粒，所述导电碳颗粒嵌入所述第二多孔基材的孔中并直接粘附到所述第二多孔基材的非导电聚合物颗粒纤维的表面；并且其中所述第二多孔电极的第一主表面与所述离子交换膜的第二表面靠近。14.根据权利要求13所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第二多孔电极的导电碳颗粒为碳粒子、碳薄片、碳纤维、碳枝晶、碳纳米管和枝化碳纳米管中的至少一种。15.根据权利要求13所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第二多孔电极的导电碳颗粒为碳纳米管和枝化碳纳米管中的至少一种。16.根据权利要求13所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第二多孔电极的导电碳颗粒为碳粒子、碳薄片和碳枝晶中的至少一种。17.根据权利要求13所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第二多孔电极的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种。18.根据权利要求13所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第二多孔基材的非导电聚合物颗粒纤维的至少一部分具有核-壳结构，其中所述核-壳结构包括包含第三聚合物的内核以及包含第四聚合物的外壳。19.根据权利要求18所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中所述第四聚合物的软化温度低于所述第三聚合物的软化温度。20.根据权利要求13所述的用于液流蓄电池的膜-电极组件，其中包含在所述第二多孔电极中的导电碳颗粒的量为约5重量％至约99重量％。21.根据权利要求13所...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷蒙德·P·约翰斯顿，奥努尔·S·约尔德姆，布雷特·J·西特尔，布拉德利·W·伊顿，布赖恩·T·韦伯，格雷戈里·M·豪根，巴拉特·R·阿查里雅，布兰登·A·巴特林，
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