液流電池作為克服可再生能源波動性、間歇性特點的有效手段,可以很好地適應可再生能源發(fā)電過程中的季節(jié)更迭、晝夜交替等自然因素的影響。液流電池擁有安全性高、循環(huán)壽命高、成本低、可擴展等特點,是一種非常有前景的大規(guī)模儲能技術。近期在國家對鋰電池應用于大規(guī)模儲能方面的安全要求提高后,液流電池受到了越來越多的關注。目前被廣泛研究并進入商業(yè)化的液流電池體系包括:全釩液流電池、鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池、硫鐵液流電池等。
雙極板是液流電池中的重要部件,用于實現(xiàn)多個電池的串聯(lián)與分隔、電池中產生的電流的傳導,并且為液流電池中的反應電極提供支撐。因此,雙極板需要有良好的導電性、較高的機械強度、相當的氣密性以及較強的耐腐蝕性,同時具有良好應用前景的雙極板還需要具有可再加工和成本低等特點。目前,雙極板材料類型主要包括石墨雙極板、石墨基復合雙極板以及金屬雙極板。金屬雙極板使用的金屬材料包括金、鈦、鉑等貴金屬材料,其耐腐蝕性、導電性較好,但其價格極其昂貴。第二類是鉛金屬雙極板,其缺點是具有相當的毒性并且表面容易被氧化。最后是一類不銹鋼雙極板,具有價格低廉、可加工性強,但其在酸性環(huán)境以及高電位下也非常容易被腐蝕,因此需要對其表面進行改性處理。改性方法包括熱噴、絲網印刷、物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍、化學鍍等,但工藝復雜且生產成本高,并不適合大規(guī)模生產??傮w而言,金屬雙極板由于種種缺點并不能很好地適應具有腐蝕性電解質的液流電池體系,石墨雙極板通過先制得石墨板,再通過切割打磨得到,其導電性能良好,并且在酸性條件下穩(wěn)定,可以用作如全釩液流電池的雙極板材料。純石墨雙極板導電率通??蛇_到1200 S/cm,但是加工和安裝時容易斷裂,這也限制了其在大規(guī)模工業(yè)上的應用。聚合物-碳素材料復合雙極板同時具有高分子樹脂良好的加工性能和機械強度,以及碳素材料優(yōu)異的導電性能,并且可以降低雙極板的制備成本。以石墨為導電填料和高分子樹脂為輔助原料,制備的石墨基復合雙極板也廣泛用于全釩液流電池之中。目前,在具有腐蝕性電解質的液流電池體系中(如全釩液流電池),普遍采用的是石墨雙極板和石墨基復合雙極板。石墨雙極板具有突出的化學穩(wěn)定性、抗腐蝕性、高導電性、低密度等特點,但其加工復雜,生產成本高,并且成本下降空間非常有限,其生產效率也偏低,這些缺點意味著石墨雙極板在大規(guī)模生產上無法滿足相應的要求,很難進行實際產業(yè)上的應用。相較而言,石墨基復合材料通過在石墨主體材料中選擇性添加輔助導電碳材料、增強材料以及樹脂作為粘結劑,在保持石墨材料出色的導電性、化學穩(wěn)定性的同時,可以很好地降低成本,被認為是有望大規(guī)模用于液流電池的一類材料。以PVDF和石墨為基體制備了全釩液流電池的雙極板, 并測定了雙極板的電導率和彎曲強度。結果表明所用膨脹石墨填加量為50%時, 所制得的雙極板同時具有優(yōu)異的導電性 (92 S/cm) 和機械強度 (51 MPa)。并且發(fā)現(xiàn)在相同的石墨質量下, 顆粒較小的石墨具有更大的接觸面積和更好的分散性, 從而能在雙極板中形成更多的導電通路, 進而增加了雙極板的導電性。