[發明專利]一種液流電池用多孔離子傳導膜及其制備和應用

有效

• 申請號: 201610490219.3
• 申請日: 2016-06-29
• 公開（公告）號: CN107546397B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 李先鋒;張華民;趙于月;袁治章
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/0245
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本專利涉及一種液流電池用多孔離子傳導膜，以帶有荷正電或荷負電的有機高分子樹脂為原料制備成多孔離子傳導膜基體；或，不具備荷電性的有機高分子樹脂與帶有荷正電或荷負電的有機高分子樹脂為原料制備成多孔離子傳導膜基體，并在此基體表面自組裝磺化石墨烯或氧化石墨烯，基體的孔隙率為40～80％。通過石墨烯片層結構和表面的功能化官能團實現對釩離子的阻隔和對氫離子的傳導。該類膜具有質子傳導率高和離子選擇性好的特點且制備工藝簡單，易于工業化，因此該膜組裝的全釩液流電池具有較高的能量效率和離子選擇性。

技術領域

本發明涉及一種液流電池用多孔離子傳導膜，特別涉及一種石墨烯自組裝的多孔離子傳導膜及其在液流電池中的應用。

背景技術

隨著環境問題的不斷加劇和化石能源的日益枯竭，開發和利用可再生能源越來越受到人們的關注。然而由于可再生能源，如太陽能和風能等，具有不連續、不穩定和不可控的特點，因此亟需儲能裝置調節可再生能源實現可再生能源的平穩輸出。在眾多的儲能技術中，液流電池因轉換效率高、系統設計靈活、儲電容量高、選址自由、可深度充放電、安全環保、維護費用低等優點，備受關注。全釩液流電池(VFB)具有安全性高，穩定性好，效率高，壽命長(平均壽命>15年)以及成本低的特點，成為大儲能的首選技術之一。

隔膜是液流電池的核心組成部分之一，主要是起著阻隔正負電極電解液防止短路，同時傳遞離子形成回路的作用。液流電池用膜應具備良好的穩定性和質子傳導性和較低的成本。現階段，液流電池中常用的隔膜是全氟磺酸類離子交換膜，如美國杜邦公司(DuPont Co.Ltd)開發的Nafion系列膜，Nafion系列膜由穩定的C-F和-HSO₃質子交換基團構成，使得其在液流電池應用中具有較好的穩定性和質子傳導性能，但是由于其離子選擇性差且成本高，嚴重地制約了其在液流電池中的大規模應用。因此亟待開發具有高選擇性和質子傳導性、良好穩定性以及低成本的液流電池用膜。

在全釩液流電池中，活性物質為不同價態的釩離子，由于不同價態的釩離子在水介質中存在的形式不同，形成的水合釩離子的斯托克斯半徑不同，因此利用不同水合釩離子的半徑不同，將多孔離子傳導膜應用在全釩液流電池中，實現“阻釩導氫”。目前多孔離子傳導膜在液流電池中應用的關鍵問題之一在于其離子選擇性和傳導性的平衡。多孔離子傳導膜孔徑越小，離子選擇性越高，但同時由于對離子的傳輸阻力增加而導致膜的離子傳導性降低，進而降低電池的電壓效率。

發明內容

本發明的目的在于提高液流電池用膜的質子傳導性和離子選擇性，提供一種液流電池用多孔離子傳導膜及其應用。

為實現上述目的，本發明采取方案如下：

一種液流電池用多孔離子傳導膜，以帶有荷正電或荷負電的有機高分子樹脂為原料制備成多孔離子傳導膜基體；或，不具備荷電性的有機高分子樹脂與帶有荷正電或荷負電的有機高分子樹脂為混合原料制備成多孔離子傳導膜基體；

并在此基體表面自組裝磺化石墨烯或氧化石墨烯，基體的孔隙率為40～80％。

基體表面自組裝磺化石墨烯或氧化石墨烯是指如下情況：

A，基體一側或二側表面與氧化石墨烯通過氫鍵自組裝成一層氧化石墨烯的多孔離子傳導膜；

或B，帶荷正電的基體一側或二側表面與磺化石墨烯通過正負電荷自組裝成一層磺化石墨烯的多孔離子傳導膜；

或C，帶荷負電的基體一側或二側表面與荷正電的聚電解質先發生自組裝后再與磺化石墨烯通過正負電荷自組裝成一層磺化石墨烯的多孔離子傳導膜；

或D，將B或C組裝的一層磺化石墨烯的多孔離子傳導膜一側或二側表面，重復C過程1次以上，得到2層以上的多層磺化石墨烯的多孔離子傳導膜；

磺化石墨烯中C:S比為1:1-1:6；