液流電池(Flow Battery)擁有安全性高,循環壽命高 、可擴展等特點是一種非常有前景的大規模儲能技術。液流電池體系包括:全釩液流電池、鐵鉻液流電池、硫鐵液流電池、鋅溴液流電池那件雙極板用于實現多個電池等 。作為液流電池中的重要電流的傳導,并且為液流電池的串聯與分隔 、電池中產生中的反應電極提供支撐 。

液流電池雙極板介紹

液流電池雙極板介紹

電堆演示模型|圖源:恒安儲能

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液流電池雙極板介紹

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雙極板在液流電池中的作用和原理

作用:

1)電流收集和傳導

雙極板在液流電池中起到電流收集和傳導的作用。它們將電池內部產生的電流傳導到集流體或者外部,從而實現能量的輸出和利用。

液流電池雙極板介紹

石墨雙極板|圖源:南海碳材

2)電解液隔離
雙極板將正極和負極的電解液隔開,防止它們直接接觸和混合。這是因為正負極電解液的直接接觸可能導致副反應,影響電池的性能和壽命。
3)結構支撐
雙極板為電池提供機械支撐,保證電池內部結構的穩定性。它還幫助保持電解液的流動路徑,使電池中的流體動力學行為更好。
4)電解液流動管理

雙極板通常設計有流道或孔隙,幫助電解液在電池內均勻分布和流動。這確保了電池內部反應的均勻性和效率。

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工作原理:

1) 導電性:雙極板材料需要具備良好的導電性,以便高效地收集和傳導電流。常用的材料包括石墨、碳復合材料以及一些金屬或合金。

液流電池雙極板介紹雙極板模型|圖源:杜科新材

2)耐腐蝕性:由于液流電池中的電解液通常具有腐蝕性,因此雙極板材料還需要具備良好的耐腐蝕性能,以確保長時間穩定運行。

3) 電解液隔離和密封:雙極板通過特殊的設計和制造工藝,實現對電解液的有效隔離。常見的設計包括在雙極板上開設流道、孔隙或使用涂層技術,以確保電解液在流動時不發生混合。

4) 流體動力學設計:為了優化電解液的流動,雙極板通常設計有復雜的流道結構。這些流道結構不僅要確保電解液在電池內的均勻分布,還需要最小化流動阻力,提高能量轉換效率。

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流道石墨雙極板|圖源:南海碳材

通過這些功能和原理,雙極板在液流電池中起到了關鍵的作用,是實現高效、穩定能量存儲和轉換的核心組件之一。要實現上述功能,液流電池的雙極板材料必須具備以下性能:
  • 具有優良的導電性能(歐姆電阻小,與電極的接觸電阻?。?/span>

  • 具有良好的機械強度和韌性(需要支撐電極,在緊壓下不發生脆裂)

  • 具有良好的致密性(不發生電解液漏液,電池之間無滲透)

  • 具有良好的化學穩定性及耐酸性和耐腐蝕性(耐酸耐電化學腐蝕,耐強氧化還原性)

雙極板材料類型

石墨雙極板?

石墨雙極板分為硬質石墨雙極板和柔性石墨雙極兩類:

硬質石墨雙極板的加工性能較差,需要更嚴苛的加工工藝,而且脆性較大,在電堆的組裝緊壓時容易脆斷。

柔性石墨雙極板是一種以可膨脹石墨為基材并輔以材料復合改性的雙極板,具有高導電特性,同時又具有一定韌性,是更理想的液流電池雙極板,但制備難度較大,致密性較差,需要優化。

液流電池雙極板介紹柔性石墨雙極板三代 |圖源:威海南海碳材料

液流電池雙極板介紹
液流電池雙極板介紹

石墨雙極板|圖源:上海液流儲能展-華熔科技

石墨雙極板的優劣勢:
●? 優點:石墨材料在酸性條件下是穩定的,并且具有良好的導電性,其中,無孔純石墨板還具有阻液性,可以作為全釩液流電池用雙極板材料。
●? 缺點:石墨雙極板的制備工藝復雜,費時且成本高。
碳塑復合雙極板?
碳塑復合雙極板通常是由導電碳材料(石墨、碳纖維、炭黑等)和樹脂(熱塑性樹脂、熱固性樹脂)經過擠出成型或者模壓成型工藝制備得到,碳材料作為導電填料提供導電性,樹脂作為黏結劑提供機械強度并填充碳材料之間的孔隙。
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碳塑雙極板和板框焊接后?| 圖源:旭能瀚源新材料

? 擠出成型工藝

通過將復合材料在具有螺桿的旋轉筒體中混合軟化,然后擠出到模具中,經過一段時間的冷卻固化將模具打開并將復合雙極板頂出,通常是半自動化甚至自動化的工藝過程。

●? 模壓成型工藝

將混合好的復合材料置于模具中,在熱壓機中加熱并施加一定壓力,然后保溫保壓一定時間,最后冷卻固化、卸壓開模。

擠出成型的工藝優勢在于生產設備成本低、生產效率高及生產周期短,而缺點在于擠出成型對樹脂含量的要求較高,限制了雙極板的電導率提升;相對而言,模壓成型的設備成本較高,但是其優勢在于樹脂含量無具體要求,有利于提高雙極板電導率:兩種成型工藝各有優劣,相比之下模壓成型的復合雙極板的導電性能更佳。

液流電池雙極板介紹

碳塑雙極板是樹脂和碳系材料混合而成,在導電材料里添加了樹脂,增強了雙極板的拉伸和彎折強度,不易出現開裂隱患。雙極板和流道板框之間,可以通過激光焊接的方式,把雙極板和流道板框融合在一起,減少了一道串液隱患的環節。

液流電池雙極板介紹裁切后的雙極板|圖源:南京旭能瀚源新材料有限公司

為了降低雙極板的制備成本,以導電填料和高分子樹脂為原料,采用注塑或模壓等方法來制備的碳塑雙極板目前廣泛地應用于全釩液流電池中。其中采用的導電填料包括石墨粉、炭黑和金屬粉末等;而高分子樹脂通常是聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等,為了提高碳塑雙極板的機械強度還可添加碳纖維進行增強。
碳塑復合雙極板的優勢、局限和挑戰:
優點:碳塑雙極板比金屬雙極板的耐腐蝕性好;與無孔純石墨雙極板相比,碳塑雙極板制備工藝簡單,成本較低
局限:但電阻率比金屬雙極板和無孔純石墨雙極板都要高。主要原因是碳塑雙極板中均含有一定比例的高分了聚合物作為基體,以保證雙極板的機械強度。

因此,如何得到低電阻率、高強度的碳塑雙極板一直是液流儲能電池雙極板的研究重點。

金屬雙極板
金屬雙極板具有良好的導電性、導熱性以及穩定的力學性能,且易加工成型和批量化生產。但是,金屬耐腐蝕性差。
性能穩定的稀有金屬如金、鈦、鉑等貴金屬耐腐蝕性好,但由于其價格昂貴,所以不適合作為雙極板材料,鉛毒性大,且表面易被氧化,經處理過的不銹鋼不能長期穩定地在釩電池中應用。
金屬雙極板若能在全釩液流電池體系中穩定應用,通常由貴金屬經過復雜的表面改性工藝制備成型,這很顯然增加了成本。
液流電池是一種活性物質存在于液態電解質中的電池技術,電解液在電堆外部,在循環泵的推動下流經電堆,實現化學能與電能的轉換。國際上液流電池主要有全釩液流電池、鋅溴電池、鐵鉻電池、多硫化鈉溴電池4種技術路線。其中全釩液流電池目前產業鏈建設和技術成熟度相對較高。全釩液流電池系統由功率單元(電堆),能量單元(電解液和電解液儲罐),電解液輸送單元(管路、閥、泵、傳感器等輔助部件)以及電池管理系統等組成。其中,電堆由離子交換膜、電極、雙極板、電極框、密封等材料構成。液流電池生產線包括(雙極板,膜裁切,碳氈裁切,電堆堆疊組裝)等。歡迎申請加入微信群。
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作者 808, ab

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