[發明專利]兩性聚醚醚酮有機物及制備方法、兩性聚醚醚酮離子交換膜和鐵鉻氧化還原液流電池

有效

• 申請號: 202110991395.6
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113896847B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 張蓉;孫璇;王曙光;賀高紅;焉曉明;胡磊;江小松
• 申請（專利權）人: 國家電投集團科學技術研究院有限公司;大連理工大學
• 主分類號: C08G8/28
• 分類號: C08G8/28;C08J5/22;C08J7/14;C08L61/16;H01M8/18
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 張美月

本發明提供了一種兩性聚醚醚酮有機物及制備方法、兩性聚醚醚酮離子交換膜和鐵鉻氧化還原液流電池。兩性聚醚醚酮有機物包括鏈段A，鏈段B和鏈段C，R₁和R₂分別獨立地選自C₁?C₁₀的烷基，分子量為23000～38000，磺化度為60～90％，胺化度為1～5％。本申請提供的兩性聚醚醚酮膜具有良好的化學穩定性、阻鐵鉻離子性能好、高導電性、耐溫性能好，并且大大降低成本等優點，可廣泛地應用于鐵鉻氧化還原液流電池領域。

技術領域

本發明涉及鐵鉻氧化還原液流電池，具體而言，涉及一種兩性聚醚醚酮有機物及制備方法、兩性聚醚醚酮離子交換膜和鐵鉻氧化還原液流電池。

背景技術

作為高效的大型儲能設備，氧化還原液流電池(RFB)已與太陽能和風能結合使用，用于電網的削峰和谷底填充，以克服這些可再生能源的不穩定性和不可持續性。在過去的幾十年中，由于系統設計的靈活性，高循環可靠性和安全性，人們越來越關注各種新興的酸性水系氧化還原液流電池。代表性的是全釩氧化還原液流電池和鐵鉻液流電池。酸性水系RFB的質子滲透選擇膜是核心成分之一，具有兩個主要功能：傳導質子以完成內部電路；阻止活性物質以避免交叉污染。理想的膜應具有優異的質子選擇性傳導性，長周期穩定性和低成本。廣泛使用的商品化全氟磺酸鹽膜(例如Nafion系列)具有用于快速傳導質子的寬離子通道，但是Nafion系列膜具有不希望的釩交叉和高成本的缺點，嚴重阻礙了其工業化。人們廣泛尋求先進的高效，低成本的替代品。

為了解決現有液流電池的上述問題，通常的做法是將親水性官能團動態組裝在疏水性聚合物主鏈上。利用聚合物主鏈結構和親水性官能團的濃度控制親水/疏水納米相分離結構來構造離子傳輸通道。陽離子交換基團可以排除帶負電荷的共離子并吸引正電荷。為構建連續的離子傳輸通道，需要較高的磺化度，以提升吸水率，但是高磺化度會使得膜的吸水溶脹過高，導致其機械性能下降，同時也導致鐵鉻滲透率大幅增加。另外，由于磺酸基團的強吸電子特性，導致與之相連接的主鏈片段容易受到強氧化性離子的攻擊，降低了聚合物膜的化學穩定性，從而導致了電池的效率及壽命的降低。陰離子交換基團可通過Donnon作用來排斥帶正電荷的活性物質的滲透，同時提供負電荷離子傳導位點。但是，具有陰離子交換基團的膜通常顯示出較高的面積比電阻，因此限制了液流電池在高電流密度下的操作。

現有技術(CN108899566A)提供了一種叔胺基兩性離子交換膜，其制備步驟包括：(1)使聚醚醚酮磺酸化，得到磺化聚醚醚酮聚合物；(2)制備叔胺功能化的PPO聚合物；(3)將磺化聚醚醚酮和叔胺功能化的PPO共混配置鑄膜液，制備兩性離子交換膜。由該方法制得的兩性離子交換膜雖然具有較好的選擇性，離子導電率及穩定性，但是該叔胺基兩性離子交換膜主要應用于全釩液流電池，不太適用于鐵鉻液流電池；同時制備過程在有機溶劑體系中進行，產生的廢液較多，工藝不環保，成本較高。

鑒于上述問題的存在，需要研制一種適用于適合氧化還原液流電池的、具有較好的化學穩定性和較低的面積比電阻的兩性聚醚醚酮離子交換膜。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種兩性聚醚醚酮有機物及制備方法、兩性聚醚醚酮離子交換膜和鐵鉻氧化還原液流電池，以解決現有離子交換膜無法兼具化學穩定性好和面積比電阻低的問題。

為了實現上述目的，本發明一方面提供了一種兩性聚醚醚酮有機物，所述兩性聚醚醚酮有機物包括：鏈段A，鏈段B和鏈段C：

其中，R₁和R₂分別獨立地選自C₁-C₁₀的烷基，兩性聚醚醚酮有機物的數均分子量為23000～38000，磺化度x為60～90％，胺化度y為1～5％。

進一步地，兩性聚醚醚酮有機物中，R₁和R₂分別獨立地選自C₁-C₅的烷基，磺化度x為65～85％，胺化度y為1～5％。