离子传输材料、包含其的电解质膜及该电解质膜的制备方法技术

本申请涉及一种离子传输材料、一种包含该离子传输材料的电解质膜以及一种制备该电解质膜的方法，以及更具体地，提供了一种离子传输材料、一种包含该离子传输材料的电解质膜以及一种制备该电解质膜的方法，其中，在所述离子传输材料中无机粒子分散于包含磺酸基的部分基于氟的聚合物中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请要求于2013年10月18日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2013-0124933的优先权及权益，其全部内容通过引用的方式并入本申请中。本申请涉及离子传输材料、包含该离子传输材料的电解质膜以及制备该电解质膜的方法。
技术介绍
燃料电池是将燃料的化学能直接转换为电能的能量转换装置。也就是，燃料电池使用燃气和氧化剂，并且采用通过在燃气和氧化剂的氧化还原反应的过程中产生的电子来生产电力的方法。燃料电池的膜电极组件(MEA)是在其中发生氢气和氧气的电化学反应的部件，并且由阴极、阳极和电解质膜即离子传导电解质膜组成。氧化还原液流电池(氧化-还原液流电池)是在其中包含在电解质溶液中的活性材料被氧化和还原并由此充电和放电，而且电化学存储装置将储存的活性材料的化学能直接转换成电能的系统。氧化还原液流电池的单元电池包括电极、电解质和离子交换膜。燃料电池和氧化还原液流电池由于高能源效率和较少污染物排放的环境友好特性已经作为下一代能源被研究和开发。用于燃料电池和氧化还原液流电池的离子交换膜材料除了优异的质子传导率以外还需要具有如下特性：1)阻止电解质的渗透(crossover)，2)强耐化学性，3)机械性能增强以及4)低溶胀率。因此，对具有所述特性的电解质膜的研究一直在继续。
技术实现思路
技术问题试图提供一种离子传输材料、一种包含该离子传输材料的电解质膜以及一种制备该电解质膜的方法而进行了本申请。技术方案为了解决所述问题，本申请提供了一种离子传输材料，该离子传输材料包含：含有下面式1的单元以及选自下面式2的单元、下面式3的单元和下面式4的单元中的至少一种单元的共聚物；以及分散在该共聚物中的无机粒子。[式1][式2][式3][式4]在式1中，Z是三价芳香族环基或三价杂环基，L是直接键或二价连接基团，X1至X3彼此相同或不同，而且各自独立地是直接键、氧(O)、羰基(-CO-)、磺基(-SO2-)、亚芳基、亚杂芳基或*-Z-L-SO3R，而且*表示与主链连接的部分，R是周期表中第一族的元素，以及在式2至4中，Y1至Y22彼此相同或不同，而且各自独立地是氢(H)、氟(F)或被取代或未被取代的烷基，以及式2至4的单元各自具有至少一个氟取代基。此外，本申请提供了一种电解质膜，该电解质膜包含所述离子传输材料。此外，本申请提供了一种包括所述电解质膜的燃料电池。此外，本申请提供了一种包括所述电解质膜的氧化还原液流电池。此外，本申请提供了一种用于制备所述电解质膜的方法，该方法包括：制备包含共聚物的溶液A，该共聚物含有下面式1A的单元以及选自式2的单元、式3的单元和式4的单元中的至少一种单元；制备包含无机粒子的前体和酸性催化剂的溶液B；混合溶液A和B；以及通过使用所述混合溶液形成膜。[式1A]在式1A中，Z和L与前面描述的相同，X4至X6彼此相同或不同，而且各自独立地是直接键、氧(O)、羰基(-CO-)、磺基(-SO2-)、亚芳基、亚杂芳基或*-Z-L-SO3M，而且*表示与主链连接的部分，以及M是碱金属元素。有益效果根据本申请的示例性实施方案的离子传输材料由于无机粒子均匀地分散在聚合物基质中而具有强机械性能。此外，所述包含根据本申请的示例性实施方案的离子传输材料的电解质膜减少了由溶剂引起的溶胀现象。此外，所述包含根据本申请的示例性实施方案的离子传输材料的电解质膜对阻止电解质材料的渗透的效果优异。此外，所述包含根据本申请的示例性实施方案的离子传输材料的电解质膜离子传导性优异。此外，所述用于制备根据本申请的示例性实施方案的电解质膜的方法由于溶液的混合而在制备方法上简单。此外，所述用于制备根据本申请的示例性实施方案的电解质膜的方法容易在电解质膜中产生无机粒子，并且将所述无机粒子均匀地分布在形成电解质膜的共聚物基质的整个区域上。附图说明图1说明了无机粒子均匀地分布在根据本申请的一个示例性实施方案的离子传输材料的整个区域上的形态。具体实施方式在下文中，将更详细地描述本说明书。本申请的一个示例性实施方案提供了一种包含共聚物和分散在该共聚物中的无机粒子的离子传输材料。所述共聚物是包含磺酸基的部分基于氟的(partiallyfluorine-based)聚合物。此处所述部分基于氟的聚合物是指组成聚合物的至少一种单体含有氟基。所述部分基于氟的聚合物的实例可以是在其中烃链包含氟类取代基的共聚物。在本申请中，所述“共聚物”可以是交替共聚物、嵌段共聚物、无规共聚物或接枝共聚物。具体地，所述共聚物可以包括：式1的单元；以及选自式2的单元、式3的单元和式4的单元中的至少一种单元。具体地，Y1至Y22彼此相同或不同，而且可以各自独立地是未被取代的或被氢(H)或氟(F)取代的C1至C10烷基。所述被取代或未被取代的C1至C10烷基可以是链型或分支型。例如在链型的情况下，被取代或未被取代的C1至C10烷基可以是–(CQQ’)pQ”，以及Q、Q’和Q”是氢(H)或氟(F)，以及p可以是1至10。所述式2、3和4的单元是氟类化合物，且因此各自含有至少一个氟取代基。根据本申请的一个示例性实施方案，R可以是周期表的第一族的元素中的氢、锂(Li)、钠(Na)或钾(K)。根据本申请的一个示例性实施方案，L是直接键、亚烷基、亚烯基、亚炔基、-[(CRR')rO(CR”R”’)s]t-、或-CO-Ar-，而且此处，R、R'、R”和R”’彼此相同或不同，而且各自独立地是氢、烷基或卤基，r和s是0至3，t是1至5，以及Ar是亚芳基或亚杂芳基。s和r可以是s+r≥1。根据一个示例性实施方案，L是-(CH2)m[(CF2)2O(CF2)2)n-。m和n是0至5的整数。所述亚烷基是具有1个至20个碳原子的亚烷基，所述亚烯基是具有2个至20个碳原子的亚烯基，所述亚炔基是具有2个至20个碳原子的亚炔基，但这些基团并不局限于此。所述三价芳香族环基是三价芳基，而且所述芳基的碳原子数可以是6至60，具体地为6至40，以及更具体地6至25。所述芳基的具体实例包括苯基、联苯基、三苯基、萘基、蒽基、屈基、菲基、苝基、荧蒽基、苯并菲基(triphenylenyl)、萉基(phenalenyl)、芘基、并四苯基、并五苯基、芴基、茚基、苊基、芴基等或它们的稠环，但并不局限于此。...

【技术保护点】
一种离子传输材料，该离子传输材料包含：含有下面式1的单元以及选自下面式2的单元、下面式3的单元和下面式4的单元中的至少一种单元的共聚物；以及分散在该共聚物中的无机粒子：[式1][式2][式3][式4]在式1中，Z是三价芳香族环基或三价杂环基，L是直接键或二价连接基团，X1至X3彼此相同或不同，而且各自独立地是直接键、氧(O)、羰基(‑CO‑)、磺基(‑SO2‑)、亚芳基、杂亚芳基或*‑Z‑L‑SO3R，而且*表示与主链连接的部分，以及R是周期表中第一族的元素，以及在式2至4中，Y1至Y22彼此相同或不同，而且各自独立地是氢(H)、氟(F)或被取代或未被取代的烷基，以及式2至4的单元各自具有至少一个氟取代基。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.18 KR 10-2013-01249331.一种离子传输材料，该离子传输材料包含：
含有下面式1的单元以及选自下面式2的单元、下面式3的单元和下面式4的单元中的至
少一种单元的共聚物；以及
分散在该共聚物中的无机粒子：
[式1]
[式2]
[式3]
[式4]
在式1中，
Z是三价芳香族环基或三价杂环基，
L是直接键或二价连接基团，
X1至X3彼此相同或不同，而且各自独立地是直接键、氧(O)、羰基(-CO-)、磺基(-SO2-)、
亚芳基、杂亚芳基或*-Z-L-SO3R，而且*表示与主链连接的部分，以及
R是周期表中第一族的元素，以及
在式2至4中，
Y1至Y22彼此相同或不同，而且各自独立地是氢(H)、氟(F)或被取代或未被取代的烷基，
以及
式2至4的单元各自具有至少一个氟取代基。
2.如权利要求1所述的离子传输材料，其中，L是直接键、亚烷基、亚烯基、亚炔基、-
[(CRR')rO(CR”R”’)s]t-、或-CO-Ar-，R、R'、R”和R”’彼此相同或不同，而且各自独立地是
氢、烷基或卤基，r和s是0至3，t是1至5，以及Ar是亚芳基或亚杂芳基。
3.如权利要求1所述的离子传输材料，其中，L是-(CH2)m[(CF2)2O(CF2)2)n-，以及m和n是
0至5的整数。
4.如权利要求1所述的离子传输材料，其中，所述被取代或未被取代的烷基是–(CQQ’)
pQ”作为具有1个至10个碳原子的烷基，Q、Q'和Q”是氢(-H)或氟(-F)，以及p是1至10。
5.如权利要求1所述的离子传输材料，其中，所述无机粒子是二氧化硅。
6.如权利要求1所述的离子传输材料，其中，基于100重量份的离子传输材料的固体含
量，所述无机粒子的含量为2重量份至30重量份。
7.如权利要求1所述的离子传输材料，其中，所述无机粒子的直径为5nm至200nm。
8.如权利要求1所述的离子传输材料，其中，所述共聚物的重均分子量为10,0000至1,
000,000。
9.一种电解质膜，该电解质膜包含权利要求1至8中的任一项所述的离子传输材料。
10.如权利要求9所述的电解质膜，其中，所述电解质膜具有5μm至200μm的厚度。
11.一种燃料电池，该燃料电池包括权利要求9所述的电解质膜。
12.一种氧化还原液流电池，该氧化还原液流电池包括权利要求9所述的电解质膜。
13.一种用于制备电解质膜的方法，该方法包括：
制...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔炯三，韩仲镇，金英弟，康爱德，申程圭，鲁台根，文植园，
申请(专利权)人：LG化学株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR