[發(fā)明專利]一種適用于有機(jī)鋰液流電池的液晶改性Nafion隔膜及制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110494938.3
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN115312972A
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張海濤;楊立鵬;張鎖江
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院過程工程研究所
• 主分類號: H01M50/414
• 分類號: H01M50/414;H01M50/406;C08F120/30
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發(fā)明涉及一種適用于有機(jī)鋰液流電池的液晶改性Nafion隔膜Nafion/PVDF/C6M及制備方法。結(jié)合液晶材料的長程有序結(jié)構(gòu)和Nafion的離子選擇性，制備一種高離子選擇性隔膜，并將Nafion/PVDF/C6M隔膜應(yīng)用在有機(jī)鋰液流電池中。首先將Nafion溶液進(jìn)行預(yù)鋰化、烘干和再溶處理，得到Nafion的有機(jī)溶液，使其具有Nafion鋰離子選擇性功能。再將Nafion和PVDF復(fù)合并加入一定量的離子液晶和AIBN，得到Nafion復(fù)合隔膜溶液。將復(fù)合隔膜溶液刮涂在玻璃板上，在60℃下離子液晶自聚合形成Nafion/PVDF/C6M復(fù)合隔膜。液晶長程有序結(jié)構(gòu)提供Nafion傳輸鋰離子的有序通道提高了隔膜的離子電導(dǎo)率和鋰離子遷移數(shù)，LFP/NPC/Li電池的庫倫效率高，循環(huán)穩(wěn)定性長，是一種性能優(yōu)異的有機(jī)鋰液流電池隔膜。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于有機(jī)鋰液流電池隔膜領(lǐng)域，具體涉及適用于有機(jī)鋰液流電池的隔膜、制備方法及性能。

【背景技術(shù)】

隔膜是鋰漿料液流電池的關(guān)鍵部件，基于鋰漿料液流電池兩極活性材料是有機(jī)電解液的漿料狀態(tài)，在電池運作過程中，漿料不間斷的流動沖刷隔膜，因此對隔膜的機(jī)械性能、耐化學(xué)穩(wěn)定性及離子選擇性要求相對較高。機(jī)械性能和耐化學(xué)穩(wěn)定性確保電池在工作工程中的安全性，高的離子選擇性提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。隔膜在鋰漿料液流電池中的功能主要體現(xiàn)在兩個方面：一是提供漿料液流電池安全保障。隔膜材料首先必須具備良好的絕緣性和優(yōu)異的機(jī)械性能，以防止正負(fù)極接觸短路或是被毛刺、顆粒、枝晶刺穿而出現(xiàn)的短路，因此，隔膜需要具有一定的拉伸、穿刺強度，不易撕裂，并在突發(fā)的高溫條件下基本保持尺寸的穩(wěn)定，不會熔縮導(dǎo)致電池的大面積短路和熱失控。二是優(yōu)異的電化學(xué)性能，高電導(dǎo)率和離子選擇性能夠提高鋰漿料電池高倍率的循環(huán)穩(wěn)定性。

PVDF等氟系聚合物具有好的機(jī)械強度、化學(xué)穩(wěn)定性、電化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和對電解液良好的親和性，同時PVDF聚合物鏈上含有很強的推電子基-CF₂，且PVDF的介電常數(shù)較高(ε＝8.4)，有利于促進(jìn)鋰鹽更充分的溶解，增加載流子濃度。因此PVDF是制備凝膠電解質(zhì)較理想的聚合物。

Nafion是一種優(yōu)異的質(zhì)子交換膜，具有良好的質(zhì)子選擇性，常被應(yīng)用勸返液流電池和燃料電池中。通過預(yù)鋰化處理，使Nafion隔膜提高鋰離子選擇性。借助離子液晶C6M長程有序結(jié)構(gòu)，使隔膜內(nèi)部Nafion分子結(jié)構(gòu)排列有序，減短鋰離子在隔膜中傳輸?shù)穆窂健afion/PVDF/C6M復(fù)合隔膜電化學(xué)性能優(yōu)異，具有良好的離子選擇性，具有應(yīng)用于鋰漿料液流電池的潛能。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明目的致力于推進(jìn)適用于鋰漿料液流電池隔膜的進(jìn)展，鋰漿料液流電池不同于其他液流電池體系，兩極漿料黏稠度遠(yuǎn)大于全釩液流電池，對隔膜的機(jī)械性能要求更加嚴(yán)格，并且兩極漿料體系為有機(jī)體系，對隔膜的化學(xué)穩(wěn)定性要求更高。兩極活性物質(zhì)互混現(xiàn)象的存在將導(dǎo)致電池性能的降低，因此鋰漿料液流電池對隔膜的整體性能要求很高。本發(fā)明通過利用離子液晶材料長程有序結(jié)構(gòu)提高隔膜的機(jī)械性能及電化學(xué)性能，離子液晶在成膜過程中原位聚合形成有序通道，提供鋰離子有序傳輸通道，顯著提高隔膜的離子電導(dǎo)率。Nafion/PVDF/C6M復(fù)合隔膜整體性能優(yōu)異，能夠滿足鋰漿料液流電池對隔膜的性能需求。

本發(fā)明提供了一種適用于液流電池的液晶改性Nafion隔膜Nafion/PVDF/C6M的制備及在鋰漿料半電池中的性能。

本發(fā)明提供的一種適用于液流電池的液晶改性Nafion隔膜Nafion/PVDF/C6M及制備方法，其特征在于：液晶聚合物長程有序結(jié)構(gòu)提供Nafion有序的傳輸鋰離子通道，提高隔膜的性能，具體步驟如下：

(1)Nafion溶液預(yù)鋰化，其特征在于：將1～2M的LiOH水溶液加到5％Nafion溶液中至弱堿性，將弱堿性溶液烘干得到Nafion固體，用高沸點溶劑將得到的固體Nafion溶解配制成15～60％的Nafion溶液。