[發明專利]具有類石墨烯結構的離子傳導膜及制備和應用

有效

• 申請號: 201811248734.6
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN111106360B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 袁治章;李先鋒;張華民
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/0221
• 分類號: H01M8/0221;H01M8/18
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一類具有類石墨烯結構的離子傳導膜的制備方法及其在液流電池中的應用，特別涉及包含此類膜在全釩液流電池和鋅基液流電池中的應用。該類膜是以由不帶電荷的不溶于水的高分子樹脂中一種或兩種以上、帶電荷的不溶于水的高分子樹脂中的一種或兩種以上、電中性的溶于水的高分子樹脂中的一種或兩種以上互混，在成膜過程中，帶電荷的不溶于水的高分子樹脂誘導電中性的溶于水的高分子樹脂均勻聚集重排，成膜后將溶于水的高分子樹脂去除制備得到。該類具有類石墨烯結構的離子傳導膜制備工藝過程簡單，工藝環保，類石墨烯結構的片層厚度可控，容易實現批量生產，以此組裝的電池具有很好的容量保持率及優異的電池性能。

技術領域

本發明涉及一類具有類石墨烯結構的離子傳導膜的制備方法及其在液流電池中的應用，特別涉及包含此類膜在全釩液流電池和堿性鋅鐵液流電池中的應用。

背景技術

能源是國民經濟可持續發展和國家安全的重要基礎。隨著經濟的發展，對能源需求日益增加，化石能源的大量消耗所造成的環境壓力日益突出。普及應用可再生能源，提高其在能源消耗中的比重是實現社會和經濟可持續發展的必然選擇，也是推動我國能源革命、優化能源結構、建立“安全、經濟、高效、低碳、共享”能源體系的重要保障。可再生能源發電如風能、太陽能等具有明顯的間歇性、不穩定性和不可控性的特點，可再生能源發電大規模并網將嚴重影響著電網的安全、高效和可靠運行。儲能技術可以平衡電能產出和用戶需求之間的矛盾，為電力系統提供削峰填谷、調頻、旋轉備用等服務，提升可再生能源的并網率并提高電網的穩定性。因此，大規模儲能技術是可再生能源普及應用的關鍵核心技術，是國家能源安全和實現節能減排目標的重大戰略需求。

液流電池是一種電化學儲能新技術，與其它儲能技術相比，具有系統設計靈活、蓄電容量大、選址自由、能量轉換效率高、可深度放電、安全環保、維護費用低等優點，可以廣泛應用于風能、太陽能等可再生能源發電儲能、應急電源系統、備用電站和電力系統削峰填谷等方面。

離子傳導膜是液流電池中的關鍵材料之一，它起著阻隔正、負極電解液，提供離子傳輸通道的作用。膜的離子傳導性、化學穩定性和離子選擇性等將直接影響電池的電化學性能和使用壽命；因此要求離子傳導膜具有較低的活性物質滲透率(即有較高的選擇性)和較低的面電阻(即有較高的離子傳導率)，同時還應具有較好的化學穩定性和較低的成本。

目前，液流電池廣泛使用的是美國杜邦公司開發的Nafion膜，Nafion膜在電化學性能和使用壽命等方面具有優異的性能。該類膜由疏水碳氟骨架和親水磺酸側鏈構成。全氟磺酸膜由于其特殊結構在應用于電池中時膜內疏水骨架和親水基團發生微相分離結構，使其具有優異的離子傳導率。而正是由于這種固定結構的微相結構使其應用于電池特別是應用于全釩液流電池中存在離子選擇性差等缺點；另一方面，該類膜的價格昂貴，從而限制了該類膜在液流電池中的大規模應用。因此，開發具有高選擇性、高穩定性和低成本的液流電池用離子傳導膜至關重要。

石墨烯是一類具有特殊二維原子晶體結構的六方點陣蜂窩狀結構的二維材料，具有優良的導電和光學性能。由于具有特殊的層狀結構，石墨烯在移動設備、航空航天、新能源電池等領域具有廣泛的應用。

發明內容

本發明目的在于制備一種具有類石墨烯結構的離子傳導膜，利用樹脂在成膜過程中，帶電荷的不溶于水的高分子樹脂與電中性的溶于水的高分子樹脂發生相互作用，誘導電中性的溶于水的高分子樹脂均勻聚集重排，成膜后將溶于水的高分子樹脂去除制備得到。采用本發明提供的制備方法，利用聚合物之間的相互作用，使得聚合物在成膜過程中發生誘導重排，去除重排的聚合物后得到的離子傳導膜具有類石墨烯結構。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：