离子交换膜、电化学系统和方法技术方案

本文公开了离子交换膜、电化学系统以及与离子交换膜和电化学电池的其他组件的多种配置相关的方法。

Ion exchange membranes, electrochemical systems and methods

This article has disclosed the ion exchange membrane, the electrochemical system and the various configurations related to the ion exchange membrane and the other components of the electrochemical battery.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】离子交换膜、电化学系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2015年3月16日提交的第62/133,777号美国临时专利申请的权益，该申请在此通过引用整体并入本公开内容中。政府支持本文所述的研究是在由能源部授予的编号为DE-FE0002472的基金下全部或部分由政府支持完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
技术介绍
电化学电池包含插设在阳极与阴极之间的离子交换膜，诸如阴离子或阳离子交换膜。所述膜是离子性的、多孔的，且有利于特定离子穿过该膜。通常，膜被压在电极之间并且需要是坚硬且牢固的以便经受住温度、压力和液体流动条件。因此，需要具有机械强度并且能改善电化学电池性能的膜。
技术实现思路
在一个方面提供了一种离子交换膜(IEM)，其包含具有内置隔离件的离聚物膜(ionomermembrane)，其中所述内置隔离件的一个或多个部分从所述离聚物膜的至少一个表面向外突起。在前述方面的一些实施方式中，所述内置隔离件的一个或多个部分从所述离聚物膜的前表面和/或后表面向外突起。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起的幅度为约0.01mm-1mm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起幅度的波长(wavelength)为约0.5mm-50mm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件为网状物(mesh)、布、泡沫、海绵、由交织纤维或筛网的重叠或堆叠平面形成的平面网状物、由纤维卷形成的垫、膨胀片、多个筛、多个挡板或多个级联台阶(cascadingsteps)或其组合。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件的横截面积与所述IEM的标称横截面积之比为约5-70％。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件由选自聚合物、织物和玻璃纤维的材料制成。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起具有重复图案(pattern)。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起彼此等距。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述IEM为阴离子交换膜(AEM)和/或阳离子交换膜(CEM)。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件被配置为将所述IEM与阳极隔开；将所述IEM与阴极隔开；将所述IEM与另一个IEM隔开；或其组合。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述IEM进一步包含与所述IEM集成的垫片材料。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料被集成至所述IEM的边缘。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料被集成于所述IEM的前侧、后侧或两侧上。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料具有约0.01mm-5mm的厚度。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料由硅酮、氟橡胶(viton)、橡胶、软木、毡、泡沫、塑料、玻璃纤维、柔性石墨、云母或聚合物制成。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯、乙烯丙烯、乙烯丙二烯、氯丁橡胶(neoprene)或氨基甲酸乙酯(urethane)。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料是选自平板或棱板(cordsheet)的设计。在一个方面提供了一种电化学方法，其包括：在阳极和阴极之间施加电压；使所述阳极与阳极电解质接触，其中所述阳极电解质包含金属离子，且所述阳极将所述金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态；使所述阴极与阴极电解质接触；使所述阳极电解质与包含具有内置隔离件的离聚物膜的离子交换膜(IEM)接触，并且/或者使所述阴极电解质与包含具有内置隔离件的离聚物膜的IEM接触，其中所述内置隔离件的一个或多个部分从所述IEM的至少一个表面向外突起。在前述方面的一些实施方式中，所述内置隔离件为IEM提供刚性，并消除了对附加隔离件组件的需要。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件的一个或多个部分从所述IEM的前表面和/或后表面向外突起。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起的幅度为约0.01mm-1mm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件将所述IEM与所述阳极隔开；将所述IEM与所述阴极隔开；将所述IEM与另一个IEM隔开；或其组合。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述方法进一步包括将垫片材料与所述IEM集成。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述方法进一步包括通过丝网印刷、经由超声波焊接或热量的结合、浸涂、聚合、注射成型、挤出、3D打印或数字印刷来集成所述垫片材料。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述与IEM集成的垫片材料赋予所述IEM刚性和强度，并消除了对单独的垫片组件的需要。附图说明本专利技术的新特征在所附的权利要求书中具体阐述。通过参考以下对利用本专利技术原理的说明性实施方式加以阐述的详细描述及其附图，可更好地理解本专利技术的特征和优点，在这些附图中：图1是与电解池相关的一些实施方式的图示。图2A-F示出了与包含具有内置隔离件的离聚物膜的离子交换膜(IEM)相关的一些实施方式。图3A-C示出了与具有附接的垫片材料的IEM相关的一些实施方式。图4是包含具有离聚物膜和内置隔离件的IEM的电化学电池的一些实施方式的图示。图5A-C是与具有或不具有垫片材料的膜附接的隔离件组件相关的一些实施方式的图示。图6是与实施例2中描述的实验相关的数据。具体实施方式本文公开了离子交换膜、电化学系统及其使用和制作方法，其可改善膜和/或电化学电池的性能。在更详细地描述本专利技术之前，应当理解，本专利技术不限于所描述的具体实施方式，其本身当然可以变化。还应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而非旨在限定，因为本专利技术的范围仅由所附权利要求来限定。当提供数值范围时，应当理解，在此范围的上限与下限之间的每个中间值(精确到下限单位的十分之一，除非上下文另外明确地指出)以及在所述范围内的任何其他所指出的或中间的值都包含在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括在较小范围中，而且也包含在本专利技术内，除了所述范围内任何具体排除的限值。当所述范围包括限值中的一个或两个时，排除这些所含限值中的任何一个或两个的范围也被包括在本专利技术中。本文以数值提出的某些范围可被解释为“大约”的数值。“约”在此用于对其之后的准确数字以及与该术语之后的数字接近或近似的数字提供字面支持。在确定一个数字是否接近或近似于某个具体列举的数字时，靠近或近似的未列举(unrequited)的数值可以是上下文中出现的、具有与具体列举的数值基本相等值的数值。除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属领域的普通技术人员所一般理解的相同的含义。现在描述代表性的说明性方法和材料，但是与本文描述的这些方法和材料类似或等效的任何方法和材料也可在本专利技术的实践或检验中使用。本说明书中所引用的所有出版物和专利都通过引用并入本文，犹如特别地和单独地指出每个单独的出版物或专利均通过引用而并入，并通过引用并入本文以公开和描述与所引用的出版物有关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子交换膜(IEM)，包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中所述内置隔离件的一个或多个部分从所述离聚物膜的至少一个表面向外突起。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.16 US 62/133,7771.一种离子交换膜(IEM)，包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中所述内置隔离件的一个或多个部分从所述离聚物膜的至少一个表面向外突起。2.根据权利要求1所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件的所述一个或多个部分从所述离聚物膜的前表面和/或后表面向外突起。3.根据权利要求1或2所述的离子交换膜，其中所述突起的幅度为约0.01mm-1mm。4.根据权利要求3所述的离子交换膜，其中所述突起幅度的波长为约0.5mm-50mm。5.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm。6.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件为网状物、布、泡沫、海绵、由交织纤维或筛网的重叠或堆叠平面形成的平面网状物、由纤维卷形成的垫、膨胀片、多个筛、多个挡板或多个级联台阶或其组合。7.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件的横截面积与所述IEM的标称横截面积之比为约5-70％。8.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件由选自聚合物、织物和玻璃纤维的材料制成。9.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述突起具有重复图案。10.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件被配置为将所述IEM与阳极隔开；将所述IEM与阴极隔开；将所述IEM与另一个IEM隔开；或上述的组合。11.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其进一步包含与所述IEM集成的垫片材料。12.根据权利要求11所述的离子交换膜，其中所述垫片材料被集成至所述IEM的边缘。13.根据权利要求11或12所述的离子交换膜，其中所述垫片材料被集成于所述IEM的前侧、后侧或两侧上。14.根据权利要求11-13中任一项所述的离子交换膜，其中所述垫片材料具有约0.01mm-5mm的厚度。15.根据权利要求11-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·J·吉利亚姆，M·科斯托维斯基，托马斯·H·麦克韦德，萨马雷什·莫汗塔，赵宏，
申请(专利权)人：卡勒拉公司，
类型：发明
国别省市：美国,US