一种保护离子交换膜的全钒液流电池结构制造技术

本发明专利技术属于全钒液流电池技术领域，公开了一种保护离子交换膜的全钒液流电池结构。具体结构为在离子交换膜两侧覆有碳布电极，碳布电极另一面覆有碳毡电极，所述碳毡电极由碳毡电极纵向纤维和碳毡电极横向纤维组成，所述碳布电极由碳布横向纤维组成。碳毡电极与膜不直接接触，碳布电极与膜直接接触，碳毡电极与碳布电极接触。有效避免了纵向的碳毡纤维与离子交换膜接触，使用碳布电极与膜接触时，提供了更多的反应位点，电化学反应速率得到进一步提升，也就是提高了电池转化效率。也就是提高了电池转化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种保护离子交换膜的全钒液流电池结构


[0001]本专利技术属于全钒液流电池
，具体涉及一种保护离子交换膜的全钒液流电池结构。

技术介绍

[0002]当今社会，随着生活水平的提高，各种电子器件产品如手机、电脑、电视、电动汽车等高端设备不断发展，极大的丰富了广大用户的生活。这些高科技产品的发展，对高品位能源(主要是电能)的需求日益强烈。
[0003]同时，煤炭、石油、天然气等能源的日渐减少以及使用时引起的环境污染，使研究和发展大规模可再生能源成为首选。由于可再生能源(如风能、太阳能、潮汐能等)发电具有不稳定和不连续的特点，需要配套的储能系统进行平衡才能保证其连续和平稳的使用。
[0004]储能电池是储能系统的心脏。在己有的储能电池中，液流电池由于具有安全性好、功率大、使用寿命长、清洁环保等优点，是实现大规模储能方案的最佳选择。
[0005]全钒液流电池电堆一节堆叠式结构一般为：端板、进液板、集流板、双极板、电极、隔膜、电极、双极板、集流板、进液板、端板。多节堆叠式电堆的结构相应增加双极板、电极、隔膜、电极、双极板的组合即可。
[0006]其中的电极一般为碳毡电极，通过针织工艺将碳纤维织成碳毡，具有高孔隙率，高电导率，高比表面积等特点。再经过碳化和活化处理，进一步提高比表面积、增加活性，作为全钒液流电池电极材料被大范围使用。
[0007]在目前的电堆结构下，为保证电堆性能，电堆电极的压缩比通常被控制在10～20％，经过充放电循环后，电堆有概率发生内漏，导致电堆性能迅速降低，直至彻底损毁。内漏的原因大部分是因为离子交换膜被碳毡纵向纤维(如图2)刺穿，导致正负极电解液接触，也就是内漏，造成短路性能快速下降。
[0008]在现有全钒液流电池电堆的离子交换膜和碳毡电极的结构中，存在以下的缺陷和问题：
[0009]1.为保证电堆性能，电堆电极的压缩比通常被控制在10～20％。此时碳毡纤维有概率将离子交换膜刺穿，造成内漏，导致电堆性能迅速下降，甚至导致电堆损毁；
[0010]2.如要避免碳毡纤维刺穿离子交换膜，可以通过降低碳毡电极的压缩比的方式，将碳毡电极的压缩比从10～20％降低到0％
‑
5％，减小碳毡纤维对膜的刺穿压强，达到保护膜的目的。但此时，因为碳毡电极压缩比过小，导致碳毡电极本体电阻过大，碳毡电极与双极板接触电阻过大，电堆性能下降10％以上，没有利用价值；
[0011]3.为提高电堆性能，一种方式可以通过增加碳毡压缩比来实现。当碳毡压缩比增加至50％时，短时间内可以提升电堆性能3％
‑
5％。但碳毡电极纤维压迫膜的力量因为压缩比的提升，进一步加大，造成风险更大、频率更多的内漏情况。

技术实现思路

[0012]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种保护离子交换膜的全钒液流电池结构，有效避免了纵向的碳毡纤维与离子交换膜接触，从而避免碳纤维将离子交换膜刺穿。
[0013]本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的：一种保护离子交换膜的全钒液流电池结构，具体结构为在离子交换膜两侧覆有碳布电极，碳布电极另一面覆有碳毡电极，所述碳毡电极由碳毡电极纵向纤维和碳毡电极横向纤维组成，所述碳布电极由碳布横向纤维组成。
[0014]进一步的，所述碳布电极依次通过石墨化、活化预处理。
[0015]进一步的，所述碳布电极石墨化步骤为：隔绝氧气的情况下对碳布电极进行程序升温，以1
‑
5℃/min的升温速率升至1800
‑
2400℃，然后保温1
‑
5h。自然降温至室温。
[0016]进一步的，所述碳布电极活化步骤为：对碳布电极连续输送臭氧、水蒸气、空气或二氧化碳，同时碳布电极进行程序升温，以1
‑
5℃/min的升温速率升至400
‑
700℃，然后保温1
‑
10h，然后自然降温至室温。
[0017]进一步的，所述碳布电极与碳毡电极通过堆叠式、针织式、缠绕式中任意一种进行组装。
[0018]进一步的，所述碳布电极与离子交换膜通过堆叠式进行组装。
[0019]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0020]1、碳毡电极与膜不直接接触，碳布电极与膜直接接触，碳毡电极与碳布电极接触。有效避免了纵向的碳毡纤维与离子交换膜接触，从而避免碳纤维将离子交换膜刺穿；将电堆因为碳纤维刺穿离子交换膜的故障率从7％降低至0％；
[0021]2、增加碳布电极后，因为避免了纵向碳纤维与离子交换膜接触，保护了离子交换膜，所以可以提高碳毡电极及碳布电极压缩比至50％，进一步降低电极的本体电阻以及电极和双极板间的接触电阻，提高电堆性能3％
‑
5％；
[0022]3、碳布电极的纤维体密度要远远高于碳毡电极，通常是碳毡电极体密度的5
‑
50倍，而液流电池发生的电化学反应大部分是发生在电极和膜的界面处，所以使用碳布电极与膜接触时，提供了更多的反应位点，电化学反应速率得到进一步提升，也就是提高了电池转化效率。
附图说明
[0023]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步说明
[0024]图1是电池内部结构：碳毡电极+碳布电极+膜+碳布电极+碳毡电极示意图；
[0025]图2：碳毡电极截面结构示意图；
[0026]图3：碳布电极截面结构示意图；
[0027]图4：碳毡电极表面形态(SEM照片)；
[0028]图5：碳布电极表面形态(SEM照片)；
[0029]图6：对比例1,1000循环后离子交换膜表观形态(SEM照片)；
[0030]图7：实施例1,1000循环后离子交换膜表观形态(SEM照片)；
[0031]图8：对比例2,1000循环后离子交换膜表观形态(SEM照片)；
[0032]图9：实施例2,1000循环后离子交换膜表观形态(SEM照片)；
[0033]图10：实施例3,1000循环后离子交换膜表观形态(SEM照片)；
[0034]图中1.离子交换膜；2.碳布电极；3.碳毡电极；4.碳毡电极纵向纤维；5.碳毡电极横向纤维；6.碳布横向纤维；7.离子交换膜被碳毡纤维刺穿的空洞。
具体实施方式
[0035]下面通过具体实施例详述本专利技术，但不限制本专利技术的保护范围。如无特殊说明，本专利技术所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
[0036]实施例1
[0037]将两张已经过碳化和活化的0.5mm厚的碳布电极2分别放置于离子交换膜1与正负极的碳毡电极3之间，组装成单电池，碳布电极2和碳毡电极3的压缩比为20％。与对比例1的对比结果如表1，经过1000循环160mA/cm2恒流充放电测试后，电池性能无明显下降；将电池拆解，离子交换膜1取出经电镜分析表观形貌，无明显损坏。这说明碳布电极2可以很好的保护离子交换膜1不受碳毡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种保护离子交换膜的全钒液流电池结构，其特征在于，具体结构为在离子交换膜(1)两侧覆有碳布电极(2)，碳布电极(2)另一面覆有碳毡电极(3)，所述碳毡电极(3)由碳毡电极纵向纤维(4)和碳毡电极横向纤维(4)组成，所述碳布电极(2)由碳布横向纤维(6)组成。2.根据权利要求1所述的保护离子交换膜的全钒液流电池结构，其特征在于，所述碳布电极(2)依次通过石墨化、活化预处理。3.根据权利要求2所述的保护离子交换膜的全钒液流电池结构，其特征在于，所述石墨化步骤为：隔绝氧气的情况下对碳布电极(2)进行程序升温，以1
‑
5℃/min的升温速率升至1800
‑
2400℃，然后保温1
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王紫雪，江杉，刘盛林，王世宇，
申请(专利权)人：大连融科储能技术发展有限公司，
类型：发明
国别省市：