一种全钒液流电池用金属复合双极板及其制备方法技术

本发明专利技术涉及双极板制备领域，特别是一种全钒液流电池用金属复合双极板及其制备方法。金属复合双极板由金属主体结构和表面防腐功能层组成，金属主体结构赋予双极板良好的导电性、气密性和机械性，表面防腐功能层赋予双极板良好的耐蚀性和界面接触性。上述金属主体结构和表面防腐功能层通过热喷涂、冷喷涂、高温压制及涂覆等工艺结合成有机整体。本金属复合双极板显示出极高的电子导电性，同时兼具良好的强度、耐蚀性和加工性，且制备工艺较简单、原料成本低，易于实现规模化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种全钒液流电池用金属复合双极板及其制备方法
本专利技术涉及双极板制备领域，特别是一种全钒液流电池用金属复合双极板及其制备方法。
技术介绍
全钒氧化还原全钒液流电池是一种环保及大容量可深度充放电的储能电池。该电池不仅可以作为太阳能、风能等可再生能源的发电系统配套储能设备，而且还可以作为电网的调峰装置，提高输电质量，保障电网安全，已在日本、美国、加拿大和澳大利亚等国得到示范运行。双极板也称为集流板，是全钒液流电池堆的关键材料之一。它主要是收集电流、分隔氧化剂与还原剂，并将反应物均匀分配在电极各处。为了提高电堆的能量密度，全钒液流电池组一般按压滤机方式组装，所用双极板须具有如下性能：(1)实现单池之间电的联接，必须由导电良好的材料构成；(2)电极活性材料通过由双极板、密封件等构成的公用孔道，经各个单池的进液管导入各个单池，并由流场均匀分配到电极各处；(3)由于正、负极活性材料不同，要求双极板具有极高的阻隔性，即必须无孔；(4)全钒液流电池环境下，构成双极板的材料必须耐腐蚀，以实现电池组的寿命目标，一般为8～15年；(5)双极板必须是热的良导体；(6)为了方便大规模推广，双极板的原料成本和制备成本必须很低。目前，研究者开发导电塑料双极板、石墨双极板及金属双极板。导电塑料双极板的导电性和机械强度间存在难以调和的矛盾，难于获得综合性能优异的双极板；石墨双极板的生产工艺相对非常复杂，造成其制备成本较高，在大规模储能电堆领域难以推广；金属双极板具有良好的导电性、气密性、机械性及加工性等优势，但是耐化学腐蚀性差是限制其广泛应用的瓶颈问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种全钒液流电池用金属复合双极板及其制备方法。该双极板的金属主体结构赋予双极板良好的导电性、气密性和机械性，表面防腐功能层赋予双极板良好的耐蚀性和界面接触性。主要通过热喷涂、冷喷涂或高温压制等工艺保证金属主体结构与防腐功能层结合成有机整体。本复合双极板具有极高的电子导电性，同时兼具良好的强度、耐蚀性和加工性。本专利技术的技术方案是：一种全钒液流电池用金属复合双极板，复合双极板主要包括高导电性金属板以及在金属板表面利用包覆工艺制备的一层防腐功能层，其中：高导电性金属板为电子的优良导体，构成材料为不锈钢板、钛板、锌板、铝合金板或钛合金板，金属板的厚度为0.2mm～5mm；防腐功能层为致密结构，具有导电性，同时具有阻隔气体、液体分子的特性，构成材料为不锈钢粉、钛粉、镍粉、石墨烯、碳纳米管、聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺或聚噻吩，功能层厚度为50μm～2000μm。所述的全钒液流电池用金属复合双极板，包覆工艺为能够使一种材料在金属板表面良好粘合的工艺，该工艺为热喷涂、冷喷涂、热压、磁控溅射或涂覆。所述的全钒液流电池用金属复合双极板，金属板与防腐功能层间的键合方式为化学键合、物理吸附或两种方式的混合。所述的全钒液流电池用金属复合双极板，防腐功能层避免复合双极板被腐蚀，双极板面临的腐蚀为能够降低双极板性能，尤其是导电性和气密性的破坏行为，主要包括化学腐蚀、电化学腐蚀或生物腐蚀。所述的全钒液流电池用金属复合双极板，金属板发挥导电性、气密性及机械性，机械性为双极板的抗拉机械强度和抗弯机械强度，其中抗拉机械强度大于50MPa，抗弯机械强度大于30MPa。所述的全钒液流电池用金属复合双极板的制备方法，该方法包括金属板表面处理、复合防腐功能层及后处理步骤，最终获得综合性能优异的复合双极板。所述的全钒液流电池用金属复合双极板的制备方法，金属板表面处理为金属板的表面清洁处理和粗化处理，以增加其余防腐功能层的结合力。所述的全钒液流电池用金属复合双极板的制备方法，后处理为调整双极板的表面粗糙度，主要通过机械方法保证其表面光滑、平整，以利于电池密封。所述的全钒液流电池用金属复合双极板的制备方法，复合双极板整体厚度为0.25mm～5.5mm。本专利技术的设计思想是：金属双极板是替代制造成本高、导电性不佳、可靠性差的石墨双极板、导电塑料双极板的较好选择，但成形精度、防腐问题等急需解决。本专利技术通过优化双极板的微纳结构设计、不同材料的搭配以及制备工艺等方面，拟制备一种兼具金属双极板和石墨双极板的新型全钒液流电池用复合双极板，进而促进高性能全钒液流电池堆的技术开发。本专利技术的优点和有益效果是：1、本专利技术基于金属材料具有极好的导电性，利用防腐功能层提高金属板的耐化学、石墨烯和碳纤维构造新型导电网络，实现综合性能优异的双极板设计与制备，该双极板兼具良好的导电性、气密性、机械性、耐蚀性和经济性。2、本专利技术采用片层材料和纤维材料共同构建具有特殊功能的复合材料可以实现材料结构和性能的优势互补，是一项原始创新性技术，可以推广到其他类型功能材料的设计和制备。3、本专利技术金属复合双极板显示出极高的电子导电性，同时兼具良好的强度、耐蚀性和加工性，且制备工艺较简单、原料成本低，易于实现规模化生产。具体实施方式在具体实施过程中，本专利技术金属复合双极板由金属主体结构和表面防腐功能层组成。金属主体结构主要包括金属板或合金板(如：不锈钢板、钛板、锌板、铝合金板及钛合金板等)，赋予双极板良好的导电性、气密性和机械性。表面防腐功能层的构成材料主要为金属材料或非金属导电材料(如：不锈钢粉、钛粉、镍粉、石墨烯、碳纳米管、聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺、聚噻吩等)，赋予双极板良好的耐蚀性和界面接触性，避免复合双极板被腐蚀，延长双极板寿命。上述金属主体结构和表面防腐功能层通过热喷涂、冷喷涂、高温压制及涂覆等工艺结合成有机整体。本专利技术中，除特别指明，涉及的百分数均为质量百分比。下面，通过实施例对本专利技术进一步详细阐述。实施例1本实施例中，选取厚度为0.8mm、尺寸为10cm×10cm的304不锈钢板为双极板的导电金属板。首先依次采用浓度5wt％的盐酸溶液、浓度30wt％的丙酮水溶液及去离子水清洗金属板，然后采用1000#砂纸打磨金属板，直至表面光亮。采用冷喷涂工艺制备防腐功能层，功能层材料为粒度范围为20μm～40μm的商用钛粉。冷喷涂工艺的具体条件为：喷涂气体采用氮气，载气温度300～400℃，送粉压力2.0～3.0MPa，喷涂距离30mm，金属板每个侧面喷涂时间2min，获得厚度为200μm的防腐功能层。最后，采用2000#砂纸打磨复合双极板。对金属复合双极板进行性能评价。厚度：1.2mm；抗拉强度：约为120MPa；抗弯强度：约为115MPa；电子电导率：约为106S/cm。耐蚀性：80℃、2.5mol/L硫酸溶液中处理120h，质量损失小于2％。实施例2本实施例中，选取厚度为0.3mm、尺寸为10cm×10cm的商用钛板为双极板的导电金属板。首先依次采用浓度15wt％的盐酸溶液、浓度20wt％的丙酮水溶液及去离子水清洗金属板，然后采用1200#砂纸打磨金属板，直至表面光亮。采用热喷涂工艺(等离子喷焊)制备防腐功能层，功能层材料为粒度范围为10μm～20μm的镍粉。采用混合气送粉工艺，压力值主要为P(O2)＝0.65MPa，P(C2H2)＝0.35MPa，喷粉距离205mm。等离子喷焊主要参数为：离子气流10L/min，送粉气流4L/min，喷焊距离15mm，转移弧电流150A，转移弧电压36V，金属板每个侧面喷涂时间3min，获得厚度为200μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全钒液流电池用金属复合双极板，其特征在于，复合双极板主要包括高导电性金属板以及在金属板表面利用包覆工艺制备的一层防腐功能层，其中：高导电性金属板为电子的优良导体，构成材料为不锈钢板、钛板、锌板、铝合金板或钛合金板，金属板的厚度为0.2mm～5mm；防腐功能层为致密结构，具有导电性，同时具有阻隔气体、液体分子的特性，构成材料为不锈钢粉、钛粉、镍粉、石墨烯、碳纳米管、聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺或聚噻吩，功能层厚度为50μm～2000μm。

【技术特征摘要】
1.一种全钒液流电池用金属复合双极板，其特征在于，复合双极板主要包括高导电性金属板以及在金属板表面利用包覆工艺制备的一层防腐功能层，其中：高导电性金属板为电子的优良导体，构成材料为不锈钢板、钛板、锌板、铝合金板或钛合金板，金属板的厚度为0.2mm～5mm；防腐功能层为致密结构，具有导电性，同时具有阻隔气体、液体分子的特性，构成材料为不锈钢粉、钛粉、镍粉、石墨烯、碳纳米管、聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺或聚噻吩，功能层厚度为50μm～2000μm。2.根据权利要求1所述的全钒液流电池用金属复合双极板，其特征在于，包覆工艺为能够使一种材料在金属板表面良好粘合的工艺，该工艺为热喷涂、冷喷涂、热压、磁控溅射或涂覆。3.根据权利要求1所述的全钒液流电池用金属复合双极板，其特征在于，金属板与防腐功能层间的键合方式为化学键合、物理吸附或两种方式的混合。4.根据权利要求1所述的全钒液流电池用金属复合双极板，其特征在于，防腐功能层避免复合双极板被腐蚀，双极板面临的腐蚀为能够降低双极板性能，尤其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红卫，赵旭东，殷慧敏，王松，张馨丹，
申请(专利权)人：临沂市产品质量监督检验所，临沂新时代工矿产品检测有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37