PE、PF集流體的性能比較

史惠娟，徐立新，王龍支

（蘭州交通大學(xué)， 甘肅 蘭州 730070）

PE、PF集流體的性能比較

史惠娟，徐立新，王龍支

（蘭州交通大學(xué)， 甘肅 蘭州 730070）

對(duì)不同比例 PE(聚乙烯)集流體、不同比例 PF(酚醛樹脂)集流體進(jìn)行性能分析比較。發(fā)現(xiàn)在單一樹脂做粘接劑時(shí)，PF集流體總體性能優(yōu)于PE集流體。PF集流體體積電阻率為0.05 Ω·cm左右，抗彎強(qiáng)度接近20 MPa。而PE集流體體積電阻率在0.1 Ω·cm以上，抗彎強(qiáng)度在10 MPa以下。

聚乙烯； 酚醛樹脂； 集流體； 體積電阻率； 抗彎強(qiáng)度

由于環(huán)保壓力和能源危機(jī),以全釩液流電池（Vanadium Redox Battery,VRB）為代表的規(guī)?；铍妰?chǔ)能裝置近年來(lái)得到快速發(fā)展,逐步進(jìn)入大規(guī)模示范階段[1-3]。集流體是釩電池的重要組成部分，很大程度上影響著釩電池的性能。石墨集流體導(dǎo)電性高，充放電性能好，在使用過程中常伴有電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致釩電池失效[4]且制備工藝復(fù)雜,費(fèi)時(shí),成本高。金、鈦、鉑等金屬雖然耐腐蝕性較好,但價(jià)格昂貴。鉛的毒性較大,且表面容易被氧化。不銹鋼板的價(jià)格低廉,可加工性強(qiáng),但在強(qiáng)酸環(huán)境中以及在較高電位下較易被腐蝕。因此，以導(dǎo)電填料和高分子樹脂為原料,采用注塑或模壓等方法來(lái)制備的復(fù)合導(dǎo)電塑料集流體目前廣泛地應(yīng)用于全釩液流電池中。本文選用聚乙烯PE和酚醛樹脂PF作為基體材料，與導(dǎo)電填料（石墨，炭黑）均勻混合制備出復(fù)合集流體，對(duì)其性能進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

石墨：上海山浦化工有限公司；炭黑：湖南湘潭金盆礦業(yè)有限公司；聚乙烯：L5303B；酚醛：濟(jì)南創(chuàng)世化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備

QLB-D350X350X2 25t平板硫化機(jī)；MTS-810材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)；DHQJ-3型非平衡電橋箱；XL30ESM SEM掃描電子顯微鏡；Chi660d電化學(xué)工作站。

1.3 樣品制備

（1）PE集流體的制備：將PE、炭黑、石墨按一定的比例混合攪拌均勻，模壓成型。（2）PF集流體的制備：將PF、炭黑、石墨按一定的比例溶于酒精中攪拌均勻，烘干后，模壓成型。

2 結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)性能與力學(xué)性能

由圖1、圖2可知，PF集流體的抗彎強(qiáng)度和導(dǎo)電性明顯優(yōu)于PE集流體，是PE集流體的數(shù)倍以上。PF集流體的電阻率在 0.05 Ω·cm左右，抗彎強(qiáng)度接近20 MPa。而PE集流體體積電阻率在0.1 Ω·cm以上，抗彎強(qiáng)度在10 MPa以下。用少量的PF可以滿足與PE集流體相同的性能（圖3,4）。

圖1 樹脂用量對(duì)體積電阻率的影響Fig.1 Effect of resin content on volume resistance

圖2 樹脂用量對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of resin content on bending strength

圖 3 不同比例聚乙烯的循環(huán)伏安曲線Fig.3 Cyclic voltammetry of different PE current collectors

導(dǎo)電顆粒活性點(diǎn)與樹脂之間發(fā)生交聯(lián)化學(xué)反應(yīng),使復(fù)合材料具有一定的強(qiáng)度。隨著樹脂含量的增多，樹脂在材料中形成的粘結(jié)面貫穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密度和厚度增加，就象鋼筋混凝土中鋼筋骨架的貫穿網(wǎng)絡(luò)一樣，使復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度不斷提高[5]，但是，太多的樹脂將導(dǎo)致導(dǎo)電性能的下降。而用少量的 PF就能保證力學(xué)性能，相對(duì)的導(dǎo)電填料的增加保證了導(dǎo)電性。

圖4 不同比例酚醛的循環(huán)伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammetry of different PF current collectors

2.2 電化學(xué)性能

由循環(huán)伏安法得到的可逆電極反應(yīng)體系的電流-電位曲線具有以下兩個(gè)重要性質(zhì)[6]：

式中：Ipa—氧化峰電流；

Ipc—還原峰電流。

式中：Epa—氧化峰電位；

Epc—還原峰電位；

Ep—峰電位差，mV。

從表1、表2可以看出PE集流體和PF集流體均不滿足可逆反應(yīng)要求，不會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，可以用作釩電池集流體。為使其與溶液呈很好的不相關(guān)性，不要使用過少的PF。過少的PF集流體將會(huì)呈現(xiàn)石墨集流體的特性。

表1 聚乙烯集流體循環(huán)伏安分析匯總Table 1 Summary of the cyclic voltammetry results on PE current collectors

表2 酚醛集流體循環(huán)伏安分析匯總Table 2 Summary of the cyclic voltammetry results on PF current collectors

2.3 掃描電鏡分析

從圖5、圖6可以看出2種樹脂均分別與導(dǎo)電填料緊密的連接在一起，PF與導(dǎo)電填料的結(jié)合更加細(xì)膩。

圖5 PE集流體斷面Fig.5 The SEM image of PE cross section

圖6 PF集流體斷面Fig.6 The SEM image of PF cross section

由于 PF所用含量較少的緣故，使導(dǎo)電填料形成較為完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié) 論

通過上述分析可以得出以下結(jié)論： 用相同量的PF可以制備出在導(dǎo)電性和力學(xué)性能方面都優(yōu)于PE的集流體，而且是PE集流體性能的數(shù)倍，PF集流體體積電阻率可以達(dá)到0.05 Ω·cm以下。因此，PF更加適合作為粘接劑用于釩電池集流體的制備。

［1］張華民,趙平,周漢濤,等. 釩氧化還原液流儲(chǔ)能電池[J] . 能源技術(shù),2005 ,25 （1）：23 - 26.

［2］Skyllas2Kazacos M,McDermott R. Vanadium charging cell and vanadi 2 μm dual battery system：AU ,2815289[P] . 1998 - 07 - 05.

［3］Tokuda N , Kumamoto T, Shigematsu T, et al . Development of a redox flow battery system[J] . SEI Technical Review ,1998（45）：19.

［4］陳茂斌,李曉兵,張勝濤,等.釩氧化還原液流電池的充放電特性[J].電池, 2008, 38(1)： 37-39.

［5］錢欣,濮陽(yáng)楠,金揚(yáng)福.酚醛樹脂/石墨導(dǎo)熱塑料性能研究[J].工程塑料應(yīng)用,1997,25（3）：10-12.

［6］（日）藤塢昭，等.電化學(xué)測(cè)定方法[M]. 陳震，姚建年,譯.北京：北京大學(xué)出版社，1995：52-78.

Study on Properties of PE and PF Current Collectors

SHI Hui-juan, XU Li-xin ,WANG Long-zhi
（Lanzhou Jiaotong University, Gansu Lanzhou 730070，China）

Properties of PE current collector and PF current collector were compared. The results show that the PF current collector is better than the PE current collector. The volume resistivity of the PF current collector is about 0.05??cm, its bending strength is about 20 MPa.The volume resistivity of the PE current collector is above 0.1 ?·cm, its bending strength is below 10 MPa.

PE； PF； Current collector； Volume resistivity； Bending strength

TM 201.4

A

1671-0460（2011）09-0899-03

鐵道車輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金，項(xiàng)目號(hào)：TE011002。

2011-07-04

史惠娟（1986-），女，山西太原人，碩士，研究方向：釩電池的制備與研究。E-mail：779509484@qq.com。