導(dǎo)電片材的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電片材(1，1′，1″)，其包括含有纖維(9)的基體(2)，其中至少一部分纖維(9)具有碳纖維。本發(fā)明的目的在于，提供一種導(dǎo)電柔性片材，所述片材具有很低的電阻，并且能夠以盡可能最簡單、低成本、可再生的方式大規(guī)模地制造。為此目的，在基體(2)中形成通道(3)。
【專利說明】導(dǎo)電片材

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的導(dǎo)電片材。本發(fā)明還涉及形成所述 導(dǎo)電片材的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 導(dǎo)電片材（例如導(dǎo)電紡織片材）對于許多應(yīng)用都是有利的。導(dǎo)電片材主要應(yīng)用于 儲能介質(zhì)中，具體地用于儲存可再生能源（例如水利，風(fēng)能，太陽輻射，地?zé)幔┖陀糜趦Υ婵?再生原材料產(chǎn)生的能源。
[0003] 通常使用不同類型的蓄電池進(jìn)行儲能。在電鍍、NaCl-電解和無機(jī)材料的電解合 成中，這些蓄電池被用作一次電池或二次電池。一次電池指的是不能再充電的電池。鑒于 化石原料的緊缺和可再生能源的使用，被研制以存儲多余電能的二次電池進(jìn)入研發(fā)焦點(diǎn)并 受到政治關(guān)注。最熟知的二次電池是鎳鎘蓄電池、鉛酸蓄電池、鋰離子蓄電池和金屬氫化物 鎳蓄電池。
[0004] 氧化還原液流電池（Redox-flow-cell)是其中電能儲存在溶于溶劑的化學(xué)反應(yīng) 物中的可再充電類型電池。實(shí)際上，兩種儲能電解質(zhì)溶液在兩個分開的回路中循環(huán)，在所述 回路之間通過隔膜在電池中進(jìn)行離子交換。儲能電解質(zhì)溶液被存儲在電池外部分開的箱體 內(nèi)，因此能夠相互獨(dú)立地改變能源量和能源輸出的大小。能夠簡單地手動填充箱體。由于 電解質(zhì)溶液的交換，所以也能夠在分開的蓄電池內(nèi)對這些電解質(zhì)溶液進(jìn)行充電和放電。電 池的電壓通常介于I. 0-2. 2V之間。該電壓尤其適用于釩氧化還原液流電池。
[0005] 隔膜將氧化還原液流電池分成兩個半電池。所述隔膜對于電解質(zhì)溶液的反離子是 可滲透的，并且每個半電池受到電極限制，在所述電極上面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（還原或氧化）。
[0006] 所使用的隔膜通常是允許所有離子通過的微孔分離器或選擇性的陰離子或陽離 子交換膜。隔膜應(yīng)阻止這兩種電解質(zhì)溶液混合。
[0007] -般地，用于含水溶液中高電化電壓范圍的電極通常由石墨制成。將具有高比 表面積（specific surface area)的石墨毯作為電極材料用于高比功率輸出（specific power output)〇
[0008] JP 4632043 Β2公開了通過將氧化聚丙烯腈（PAN-OX)纖維的碳化而獲得的碳-纖 維氈，盡管氈通過針織也是可得到的。正如在JP 4632043 B2中所描述氈的纖維結(jié)構(gòu)，纖維 排列和導(dǎo)電排列具有彼此不同的定向。因此，電流必須流經(jīng)大量的纖維節(jié)點(diǎn)，由此大大增加 氈的電阻。
[0009] JP 2003 308851 A描述了具有含碳纖維非織造布的電極材料。其生產(chǎn)是在高溫下 和惰性氣氛下進(jìn)行。氈結(jié)構(gòu)還限制孔隙度和壓力損失。JP 2001 085028 A示出在含水電解 質(zhì)系統(tǒng)的氧化還原液流電池中使用的碳電極材料。
[0010] 在JP 2003 308851 A和JP 2001 085028 A中所描述的電極材料不具有針對性的 結(jié)構(gòu)，由此使得流體（尤其是電解質(zhì)溶液）的穿過變得困難。這導(dǎo)致在穿過電極材料期間 電阻增加和高壓力損失。前述電極材料還具有與雙極板接觸時增加電阻的粗糙表面。在這 種材料部分上高的纖維不規(guī)則性增加磨損，從而縮短電極材料的使用壽命。
[0011] DE 100 505 12 Al描述了含有碳纖維的導(dǎo)電非織造布。這種非織造布具有 80-500 μ m的厚度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 因此本發(fā)明的目的在于提供導(dǎo)電柔性片材，所述片材具有很低的電阻并且能夠以 簡單、低成本、可再生地的方式大規(guī)模地制造。
[0013] 該目的通過權(quán)利要求1的特征實(shí)現(xiàn)。
[0014] 發(fā)明人認(rèn)識到，基體中具有通道的片材能改善流體通過片材的流動。同時，流動阻 力和壓力損失很低。此外，發(fā)現(xiàn)所述片材在技術(shù)使用條件下的持續(xù)使用性能出色。
[0015] 在一個優(yōu)選實(shí)施例中，所述片材通道直徑在1-500 μ m范圍內(nèi)，優(yōu)選地在5-400 μ m 范圍內(nèi)，尤其優(yōu)選地在10-300 μ m范圍內(nèi)。特別優(yōu)選通道直徑在50-200 μ m范圍內(nèi)的片材。 這些通道直徑尺寸有利地確保在表面上有足夠的反應(yīng)位置，所述反應(yīng)位置在將片材作為電 極材料使用時使得在電解質(zhì)溶液與電極材料之間的出色電子交換成為可能。因此，片材電 導(dǎo)率得以顯著提高。通過掃描電子顯微鏡檢查法確定片材的通道直徑。為此，電子束被在 特定圖案中掃描經(jīng)過片材的橫截面并且利用所得到的具有樣本電子交互作用而構(gòu)建樣本 圖像。隨后根據(jù)放大倍數(shù)確定在圖像上得到的通道。
[0016] 特別優(yōu)選具有第一正面和第二正面基體的片材，其中通道與所述正面正交。這種 通道布置有利于經(jīng)過通道的流動特別均勻并且同時降低電阻。
[0017] 在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，片材基體包括第一正面和第二正面，其中通道與所述 正面形成銳角。這種通道布置有利之處在于獲得的片材含有許多通道。此外，經(jīng)過這種片 材的流動具有很低的壓力損失。
[0018] 在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，片材具有褶裥狀結(jié)構(gòu)，其中所述褶裥狀結(jié)構(gòu)的褶裥邊 緣至少部分地相互連接。通過在褶裥邊緣處部分地連接顯著提高片材的穩(wěn)定性。此外，防 止纖維在纖維方向的磨損，從而有利地提高了片材的使用壽命。
[0019] 在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，通過編織、編結(jié)和/或固化至少在基體的一側(cè)上將褶裥 邊緣相互連接?？梢岳没ハ噙B接褶裥邊緣的不同方法影響片材的穩(wěn)定性，由此實(shí)現(xiàn)片材 使用的多功能性。不同連接形式的另一個優(yōu)勢是穩(wěn)定的片材同時在縱向和橫向柔韌。
[0020] 固化可以機(jī)械式地進(jìn)行。為此使用針織技術(shù)（needling technique)或通過蒸汽 噴射和/或噴水而使纖維互相纏繞。
[0021] 片材可以是打褶片材并且被折疊成塊?；谶@種結(jié)構(gòu)，片材的各個纖維在導(dǎo)電方 向定向從而減小電阻。此外，通道結(jié)構(gòu)引起流動阻力和壓力損失的明顯下降。
[0022] 根據(jù)折疊的方式，片材可以具有在l_15mm范圍內(nèi)的不同厚度。特別優(yōu)選在3-12_ 范圍內(nèi)的厚度，尤其是在5-10_范圍內(nèi)的厚度。這使得用于不同用途而定制穩(wěn)定片材成為 可能。根據(jù)DIN EN ISO 9073-2確定片材的厚度。
[0023] 實(shí)際試驗(yàn)已經(jīng)表明，孔隙度在40-95%、優(yōu)選60-90%、更優(yōu)選70-80%下可以實(shí)現(xiàn) 特別高的電導(dǎo)率。通過其它試驗(yàn)也已表明，孔隙度在80-99%范圍內(nèi)、更優(yōu)選地在85-97% 范圍內(nèi)、尤其優(yōu)選地在90-95 %范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)特別低的流動阻力?？紫抖仁俏镔|(zhì)或組份的空 腔容積與總?cè)莘e之比?？紫抖茸鳛閷?shí)際存在的空腔的分類標(biāo)準(zhǔn)起作用。在這些孔隙度范圍 內(nèi)流動阻力有利地相對較低?？紫抖雀叩钠木哂写罅康姆磻?yīng)位置以確保在電解質(zhì)溶液與 電極材料之間出色電子交換的優(yōu)勢。
[0024] 孔隙度從如下3種重量確定。為此，片材在80°C溫度下、真空條件下被干燥處理 24小時。然后多次稱量被干燥的片材直到達(dá)到恒定值。隨后在真空條件下通過蒸餾水使 樣本飽和并且向在干燥器灌水直到片材完全被水覆蓋。在靜止72小時之后進(jìn)行浸沒稱重 (dipped weightings)。為此，通過樣本支架將濕的試樣放入充滿蒸餾水的容器內(nèi)并通過排 出的水確定濕的樣本的重量。此外，計(jì)算濕的樣本的重量。然后根據(jù)下述公式確定孔隙度 η ：
[0025]

【權(quán)利要求】
1. 一種導(dǎo)電片材（1,1'，1")，其包括含有纖維巧）的基體（2)，其中至少一部分所述 纖維（9)具有碳纖維，其特征在于，在所述基體（2)中有通道（3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片材，其特征在于，通道直徑在1-500 y m的范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的片材，其特征在于，所述基體（2)具有第一正面和第二正 面（4a，5a)，其中所述通道（3)與所述正面（4a，5a)正交。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的片材，其特征在于，所述基體（2)具有第一正面和第二正 面（4, 5)，其中所述通道（3)與所述正面（4, 5)形成銳角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的片材，其特征在于，具有權(quán)桐狀結(jié)構(gòu)，其中所述權(quán) 桐狀結(jié)構(gòu)的權(quán)桐邊緣（6)至少部分地相互連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的片材，其特征在于，通過編織、編結(jié)和/或固化至少在所述基 體似的一側(cè)上將權(quán)桐邊緣做相互連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的片材，其特征在于，所述片材（1,1'，1")是 打權(quán)片材并且被折疊成塊。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的片材，其特征在于，具有在范圍內(nèi)的厚 度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的片材，其特征在于，具有40-95%的孔隙度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的片材，其特征在于，在垂直于與所述正面（4， 4a，5,5a)正交的端面（7,8)的方向上具有10-300S/cm 2的電導(dǎo)率。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的片材，其特征在于，具有l(wèi)〇〇-l〇〇〇g/m2的基 重。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的片材，通過權(quán)桐成型法制造所述片材。
13. -種結(jié)構(gòu)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)中所述的片材（1,1'，1")和電 源（31)，其中在第一半電池（24)與第二半電池（2W之間存在導(dǎo)電方向，所述纖維（9)沿著 所述導(dǎo)電方向排列。
14. 一種形成根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的導(dǎo)電片材（1，1'，1")的方法，所 述方法包括如下步驟： a) 提供至少一個纖維網(wǎng)狀物（10)， b) 預(yù)加固所述纖維網(wǎng)狀物（10)， C)生成權(quán)桐狀結(jié)構(gòu)并且連接權(quán)桐邊緣化）W形成所述片材（1,1'，1")，和 d)使所述片材（1，1'，1")碳化和/或石墨化。
15. -種形成根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的導(dǎo)電片材（1，1'，1")的方法，所 述方法包括如下步驟： a) 提供至少兩個纖維網(wǎng)狀物，其中所述纖維網(wǎng)狀物的纖維定向具有不同的優(yōu)先方向， b) 將所述纖維網(wǎng)狀物疊置W生成復(fù)合材料， C)預(yù)先加固纖維網(wǎng)狀物， d) 生成權(quán)桐狀結(jié)構(gòu)并且連接權(quán)桐邊緣化）W形成所述片材（1,1'，1")，和 e) 使所述片材（1，1'，1")碳化和/或石墨化。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的形成導(dǎo)電片材（1,1'，1")的方法，其特征在于，通 過功能化、涂覆和/或浸潰來精整處理所述片材（1,1'，1")。
【文檔編號】D04H1/4242GK104471774SQ201380038502
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月20日
【發(fā)明者】甘特·斯沙爾芬伯格, 格哈德·思科平, 比爾格·蘭格, 杰拉爾德·雅爾, 邁克爾·扎米納, 朱迪思·哈勒爾 申請人:卡爾·弗羅伊登貝格兩合公司