PE、PF集流体的性能比较

史惠娟，徐立新，王龙支

（兰州交通大学， 甘肃 兰州 730070）

PE、PF集流体的性能比较

史惠娟，徐立新，王龙支

（兰州交通大学， 甘肃 兰州 730070）

对不同比例 PE(聚乙烯)集流体、不同比例 PF(酚醛树脂)集流体进行性能分析比较。发现在单一树脂做粘接剂时，PF集流体总体性能优于PE集流体。PF集流体体积电阻率为0.05 Ω·cm左右，抗弯强度接近20 MPa。而PE集流体体积电阻率在0.1 Ω·cm以上，抗弯强度在10 MPa以下。

聚乙烯； 酚醛树脂； 集流体； 体积电阻率； 抗弯强度

由于环保压力和能源危机,以全钒液流电池（Vanadium Redox Battery,VRB）为代表的规模化蓄电储能装置近年来得到快速发展,逐步进入大规模示范阶段[1-3]。集流体是钒电池的重要组成部分，很大程度上影响着钒电池的性能。石墨集流体导电性高，充放电性能好，在使用过程中常伴有电化学腐蚀，导致钒电池失效[4]且制备工艺复杂,费时,成本高。金、钛、铂等金属虽然耐腐蚀性较好,但价格昂贵。铅的毒性较大,且表面容易被氧化。不锈钢板的价格低廉,可加工性强,但在强酸环境中以及在较高电位下较易被腐蚀。因此，以导电填料和高分子树脂为原料,采用注塑或模压等方法来制备的复合导电塑料集流体目前广泛地应用于全钒液流电池中。本文选用聚乙烯PE和酚醛树脂PF作为基体材料，与导电填料（石墨，炭黑）均匀混合制备出复合集流体，对其性能进行了分析研究。

1 实验部分

1.1 主要原材料

石墨：上海山浦化工有限公司；炭黑：湖南湘潭金盆矿业有限公司；聚乙烯：L5303B；酚醛：济南创世化工有限公司。

1.2 主要设备

QLB-D350X350X2 25t平板硫化机；MTS-810材料力学性能试验机；DHQJ-3型非平衡电桥箱；XL30ESM SEM扫描电子显微镜；Chi660d电化学工作站。

1.3 样品制备

（1）PE集流体的制备：将PE、炭黑、石墨按一定的比例混合搅拌均匀，模压成型。（2）PF集流体的制备：将PF、炭黑、石墨按一定的比例溶于酒精中搅拌均匀，烘干后，模压成型。

2 结果与讨论

2.1 电学性能与力学性能

由图1、图2可知，PF集流体的抗弯强度和导电性明显优于PE集流体，是PE集流体的数倍以上。PF集流体的电阻率在 0.05 Ω·cm左右，抗弯强度接近20 MPa。而PE集流体体积电阻率在0.1 Ω·cm以上，抗弯强度在10 MPa以下。用少量的PF可以满足与PE集流体相同的性能（图3,4）。

图1 树脂用量对体积电阻率的影响Fig.1 Effect of resin content on volume resistance

图2 树脂用量对抗弯强度的影响Fig.2 Effect of resin content on bending strength

图 3 不同比例聚乙烯的循环伏安曲线Fig.3 Cyclic voltammetry of different PE current collectors

导电颗粒活性点与树脂之间发生交联化学反应,使复合材料具有一定的强度。随着树脂含量的增多，树脂在材料中形成的粘结面贯穿网络结构密度和厚度增加，就象钢筋混凝土中钢筋骨架的贯穿网络一样，使复合材料的抗弯强度不断提高[5]，但是，太多的树脂将导致导电性能的下降。而用少量的 PF就能保证力学性能，相对的导电填料的增加保证了导电性。

图4 不同比例酚醛的循环伏安曲线Fig.4 Cyclic voltammetry of different PF current collectors

2.2 电化学性能

由循环伏安法得到的可逆电极反应体系的电流-电位曲线具有以下两个重要性质[6]：

式中：Ipa—氧化峰电流；

Ipc—还原峰电流。

式中：Epa—氧化峰电位；

Epc—还原峰电位；

Ep—峰电位差，mV。

从表1、表2可以看出PE集流体和PF集流体均不满足可逆反应要求，不会发生电化学腐蚀，可以用作钒电池集流体。为使其与溶液呈很好的不相关性，不要使用过少的PF。过少的PF集流体将会呈现石墨集流体的特性。

表1 聚乙烯集流体循环伏安分析汇总Table 1 Summary of the cyclic voltammetry results on PE current collectors

表2 酚醛集流体循环伏安分析汇总Table 2 Summary of the cyclic voltammetry results on PF current collectors

2.3 扫描电镜分析

从图5、图6可以看出2种树脂均分别与导电填料紧密的连接在一起，PF与导电填料的结合更加细腻。

图5 PE集流体断面Fig.5 The SEM image of PE cross section

图6 PF集流体断面Fig.6 The SEM image of PF cross section

由于 PF所用含量较少的缘故，使导电填料形成较为完整的导电网络。

3 结 论

通过上述分析可以得出以下结论： 用相同量的PF可以制备出在导电性和力学性能方面都优于PE的集流体，而且是PE集流体性能的数倍，PF集流体体积电阻率可以达到0.05 Ω·cm以下。因此，PF更加适合作为粘接剂用于钒电池集流体的制备。

［1］张华民,赵平,周汉涛,等. 钒氧化还原液流储能电池[J] . 能源技术,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］陈茂斌,李晓兵,张胜涛,等.钒氧化还原液流电池的充放电特性[J].电池, 2008, 38(1)： 37-39.

［5］钱欣,濮阳楠,金扬福.酚醛树脂/石墨导热塑料性能研究[J].工程塑料应用,1997,25（3）：10-12.

［6］（日）藤坞昭，等.电化学测定方法[M]. 陈震，姚建年,译.北京：北京大学出版社，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 0.05Ω•cm, its bending strength is about 20 MPa.The volume resistivity of the PE current collector is above 0.1 Ω·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

铁道车辆热工教育部重点实验室开放基金，项目号：TE011002。

2011-07-04

史惠娟（1986-），女，山西太原人，硕士，研究方向：钒电池的制备与研究。E-mail：779509484@qq.com。