[發明專利]一種釩電池用兩性Nafion離子交換膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201810369682.1
• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108695534A
• 公開（公告）日: 2018-10-23
• 發明（設計）人: 戴紀翠;董毅超;滕祥國
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（威海）
• 主分類號: H01M8/18
• 分類號: H01M8/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種釩電池用兩性Nafion離子交換膜及其制備方法。本發明以商業全氟磺酸膜Nafion或Nafion樹脂為引發劑，通過原子轉移自由基聚合(ATRP)反應在Nafion膜表面或本體接枝聚合不同的陰、陽離子聚合物，以提高Nafion用于全釩液流電池時的離子選擇性并保持其電導率。本發明所得到的Nafion兩性離子膜在保留Nafion膜優良的質子傳導率和化學穩定性的同時，還可以有效改善Nafion膜的離子選擇性。此外，通過調控接枝用陰、陽離子聚合單體的各類和比例可以方便的實現對所制備Nafion兩性膜結構及性能的調整。本發明操作簡單，反應條件溫和，產物接枝量可控，方便實施大規模生產，具有很好的商業化前景。

技術領域

本發明屬于離子交換膜領域，具體涉及一種基于全氟磺酸膜Nafion或Nafion樹脂制備得到的兩性離子交換膜及其制備方法。該離子交換膜以商業Nafion膜或Nafion樹脂為引發劑，采用ATRP反應分別接枝聚合陰離子單體和陽離子單體進行制備，主要應用于能源轉換領域，尤其是全釩液流電池。

背景技術

能源是人類生存和發展的重要物質基礎，也是當今國際社會政治、經濟、軍事和外交關注的焦點。目前，由于經濟地快速增長，對于能源的需求越來越大，一味地使用化石燃料資源作為主要能源供應，不僅加速了資源的快速枯竭，而且產生大量對健康具有威脅性的污染物(例如CO，NO_x和微小顆粒物)以及溫室氣體排放(例如CO₂)。太陽能、風能、水能和生物能等可再生新型能源可以長期有效地提供清潔能源，但是其同時也受到地域、季節和時間等因素的影響，具有明顯的不連續性和不穩定性。全釩液流電池(VRB)憑借循環壽命長、規模可控、易選址、效率高和資源豐富等優勢，在清潔能源發電儲能領域成為最優的選擇之一。

VRB主要由電極、隔膜和電解液等組成，其活性物質溶解在電解液中，儲存在電池外部，通過泵驅動實現循環。負極電解液與正極電解液中的活性物質分別是V³⁺/V²⁺和VO²⁺/VO₂⁺，而以H₂SO₄作為支持電解質。在充放電過程中，正極和負極之間有著質子的交換，因此VRB的隔膜不僅要分隔正極和負極活性物質，同時還要能夠傳導質子。目前能夠部分滿足需求的商業化隔膜是美國杜邦公司生產的Nafion離子交換膜，其較高的質子傳導和優秀的化學穩定性使得Nafion膜成為絕大多數VRB的選擇，但是較差的離子選擇性和嚴重的水遷移導致Nafion膜在VBR中具有較低的電流效率，限制了Nafion膜在VRB中的進一步應用。

為了改善Nafion膜的離子選擇性，眾多學者和研究人員對其進行了廣泛的研究和探索。專利CN107017375A利用溶解法制備Nafion溶液，將TiO₂納米管陣列作為質子選擇傳導通道，采用分步分散、溶液澆注等成膜方法來制備Nafion/TiO₂納米管復合隔膜；專利CN102522574B使用兩種碳氟鏈雙功能基團的物質通過分子間縮合反應形成酰亞胺或磺酰亞胺縮聚物修飾層，將其修飾在Nafion膜表面；J. Xi. et al (J. Power Sources, 166(2007) 531-536)采用溶膠-凝膠法制備了不通比例的Nafion/SiO₂復合膜；Qingtao Luo.et al(Journal of Membrane Science，2008 , 325 (2) :553-558)通過重鑄Nafion膜和磺化聚醚醚酮膜并將其制備成Nafion /磺化聚醚醚酮層狀復合膜。