[發明專利]一種長側鏈SEBS基堿性聚合物電解質膜及其制備和應用

有效

• 申請號: 201611145339.6
• 申請日: 2016-12-13
• 公開（公告）號: CN108461790B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 王素力;楊叢榮;孫公權
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/1041
• 分類號: H01M8/1041;H01M8/1069;H01M8/18;H01M8/1072;C08F8/20;C08F297/04;C08J5/22
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明提供一種長側鏈SEBS基堿性聚合物電解質膜及其制備和應用，所述長側鏈SEBS基堿性聚合物電解質膜為接枝長側鏈聚合物材料制備而成，所述接枝長側鏈具有帶正電荷的官能團，所述帶正電荷的官能團為季銨鹽離子、咪唑鹽離子、胍鹽離子、DABCO(1,4?二氮雜二環[2.2.2]辛烷)離子中的一種或兩種以上；長側鏈為C2?C8的長烷基鏈。本發明采用機械性能良好、化學穩定性較好的SEBS作為長烷基鏈堿性聚合物電解質膜的主鏈，此類膜具有良好的機械性能、在高溫堿性環境中具有較好的化學穩定性，能夠滿足燃料電池工作環境的需求；熱壓或溶劑方法可以通過簡單地調節溫度、壓力制備大面積的膜，所以鑄膜工藝簡單，易于批量生產。

技術領域

本發明屬于堿性聚合物電解質膜領域；本發明還涉及一種具有較高電導率、較好化學穩定性堿性聚合物電解質膜的制備。

背景技術

燃料電池是一類將燃料(氫氣、甲醇、乙醇等)中的化學能直接轉化為電能的電化學反應裝置。與傳統內燃機相比，燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，環境友好；與一次、二次電池相比，燃料電池比容量高，只要不斷地提供燃料，就能持續穩定輸出電能。因此，近年來燃料電池得到了廣泛地關注。

以堿性聚合物膜為固體電解質的堿性聚合物電解質膜燃料電池(APEMFCs)不僅繼承了堿性條件下陰極反應動力學速率快的優勢，采用非貴金屬作為電催化劑，而且體系中沒有可移動的金屬陽離子，即使有CO₃^2-、HCO₃^-生成也能有效地避免鹽沉積帶來的枝晶短路等問題[18]，被認為是AFCs與PEMFCs兩類燃料電池可能的替代品。自2005年首次被報道以來，目前已成為燃料電池領域研究熱點之一。

近年來，隨著能源短缺和環境問題的日益突出，環保新能源逐漸成為全球研究的熱點。由于采用堿性聚合物電解質交換膜(APEMs)為固體電解質的電化學能源器件(如堿性聚合物電解質膜燃料電池、水電解池、液流電池、金屬空氣電池等)具有比功率密度大，成本低，潔凈環保等優點成為研究者關注的焦點。然而，目前APEMs的性能仍不能滿足這些器件應用環境的要求。在其工作環境中，由于磁場、高溫、強電場、強堿的存在，APEMs的穩定性、電導率和機械性能面臨較大挑戰，如何平衡APEMs的電導率與其機械性能之間的矛盾，提高其在高溫堿性環境中的穩定性成為APEMs領域研究的重點。

為了提高APEMs的電導率，研究者們做了很多工作。Guiver等人制備出了以聚砜為主鏈的嵌段共聚物APEMs，這類膜的特點是電導率高，而其含水量和吸液量、溶脹都比較低。李南文等人利用“點擊化學”制備出的具有長側鏈的APEMs在水飽和條件下的電導率達到62mS cm^-1。值得關注的是，莊林研究組通過分子結構設計制備了具有良好微觀相分離結構的聚砜型APEMs的方法。他們通過將長疏水側鏈接枝到遠離官能團的主鏈上，在APEMs中形成了連續且明顯的微觀相分離結構，構建了利于OH^-傳輸的通道，從而有效地提高了膜的電導率，使其電導率與商品Nafion相當。

隨著電導率的提升，研究者們發現以含有醚鍵的芳香聚合物作為主鏈時，在高溫堿性環境中，強親核試劑OH^-會攻擊主鏈中的C-O鍵和季碳鍵，使其發生水解斷鍵，造成膜整體破碎(PNAS，February 12,2013，vol.110)。聚苯乙烯基APEMs的主鏈具有較好的化學穩定性。然而，聚苯乙烯作為硬段聚合物，當將官能團嫁接到此類主鏈時又會出現這類膜的過分溶脹、機械性能衰減的問題。聚(苯乙烯-乙烯-丁烯)嵌段共聚物(SEBS)兼具軟段和硬段部分，能夠彌補聚苯乙烯機械性能差的問題，所以很適合作為APEMs的主鏈。然而，SEBS中聚苯乙烯結構減少，這一結構便會導致SEBS主鏈上能夠接枝官能團的比例明顯降低，而且聚苯乙烯之間存在聚烷烴鏈段，聚苯乙烯之間距離增大，導致SEBS-基APEMs的電導率較小。

與此同時，主鏈也會引起官能團的降解，導致APEMs失去傳導離子的能力。

發明內容