一种全固态微量含水低温适用质子交换膜及其制备方法技术

本发明专利技术的一种全固态微量含水低温适用质子交换膜及其制备方法，属于质子交换膜的制备领域，所述的质子交换膜中包含特定含量的高分子化合物、质子供体、增塑剂，有机固体溶剂、添加剂和助剂等物质。制备时采用浇铸法或者挤出法即可获得相应质子交换膜。本发明专利技术的制备方法具有制备工艺简单、所制得的全固态微量含水低温适用质子交换膜具有高质子电导率，耐太阳辐射，耐低温，抗老化、超低收缩率等优点，在电致变色、燃料电池以及质子电池等领域具有很好的应用前景。应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种全固态微量含水低温适用质子交换膜及其制备方法

：
[0001]本专利技术属于无机非金属
，具体涉及一种全固态微量含水低温适用质子交换膜方法。

技术介绍
：
[0002]随着人们对于清洁能源的重视程度逐步提高，氢燃料电池和质子电池越来越受到人们的关注，而作为电池核心层的质子交换膜也逐渐有更多人研究。
[0003]相比于锂离子导电机制的固态电解质，质子交换膜在性能上更加优越，在导电离子在薄膜中进行传导时，质子引起的晶格畸变更小，其稳定性和安全性能更好。由于大多数质子交换膜在较高温度下会由于水分的挥发导致质子电导率的下降，所以近年来对于质子交换膜的研究主要集中在低含水量和高温质子交换膜两个方面。为了降低质子交换膜的含水量，可以从选择添加一些增塑剂或者添加剂入手。
[0004]本专利技术采用聚乙烯醇等高分子聚合物为基体，酸作为质子供体，难挥发的有机固体溶剂作为增塑剂，无机纳米粒子作为电解质添加剂，采用浇筑的制备方法制备出一种全固态微量含水低温适用质子交换膜，同时具备微量含水，高离子电导率，良好的循环稳定性和安全性能的特点。

技术实现思路
：
[0005]本专利技术的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种工艺简单、成本低廉、性能稳定的全固态微量含水低温适用质子交换膜及其制备方法，主要解决的技术问题是质子交换膜微量含水低温适用具有高离子电导率的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种全固态微量含水低温适用质子交换膜，包括原料及质量配比为，高分子化合物：有机固体溶剂：质子供体：增塑剂：电解质添加剂：助剂＝1:(0.3
‑
0.5):(0.4
‑
0.6):(0.02
‑
0.04):(0.04
‑
0.08):(0.001
‑
0.004)；按质量体积比，高分子化合物：溶剂＝1:(0
‑
10)，单位g:ml；其中：
[0008]所述的质子供体为磷酸、硫酸、盐酸、磷钨酸、亚磷酸、焦磷酸、亚硫酸、氢溴酸或氢碘酸中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比；
[0009]所述的有机固体溶剂为四乙二醇二甲醚，丙三醇，乙二醇二甲醚或三乙二醇二甲醚中的一种或几种。
[0010]所述的高分子化合物为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、乙烯
‑
乙烯醇共聚物、聚四氟乙烯或聚(偏氟乙烯co
‑
六氟丙烯)中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比。
[0011]所述的增塑剂是中性有机塑化剂，所述的中性有机塑化剂为乙腈、丁二腈、乙二腈、新戊烷、环己胺、环丁烷、5
‑
甲基
‑
5，6，7，8
‑
四氢吡唑啉(1，2
‑
α)哒酮、聚丙烯腈、三氟甲基磺酸亚胺、对苯二甲酸二辛脂、二丙二醇二苯甲酸酯、多元醇苯甲酸酯或一缩二丙二醇中
的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比。
[0012]所述的电解质添加剂为无机纳米粒子，所述的无机纳米粒子为纳米SiO2、纳米TiO2、纳米Al2O3、纳米ZnO、纳米ZrO2、纳米Ta2O5、纳米CeO2、纳米MoO3、纳米MgO、或纳米Nb2O5中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比。
[0013]所述的助剂为抗氧化剂、抗老化剂中的一种或几种。
[0014]所述的溶剂为水，N，N
‑
二甲基甲酰胺、N，N
‑
二甲基乙酰胺、无水乙醇、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、乙基纤维素、二甲基乙酰胺或甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比。
[0015]所述的全固态微量含水低温适用质子交换膜的交流阻抗为(0.5
‑
4)
×
102Ω，其离子电导率在(0.4
‑
2.5)
×
10
‑3S/cm，低温
‑
20℃～
‑
10℃范围内仍能够正常使用，其交流阻抗为(0.8
‑
5)
×
103Ω，离子电导率仍能够达到(1.5
‑
3.4)
×
10
－4
S/cm。
[0016]所述的全固态微量含水低温适用质子交换膜厚度为50
‑
1000μm，使用不同制作工艺或者干燥时间与温度不同会对薄膜厚度造成一定影响，采用熔融挤出法相比于浇铸法薄膜厚度更大，干燥时间越长温度越高薄膜厚度越小，薄膜厚度均一，平整度高，表面粗糙度小于10nm。
[0017]所述的全固态微量含水低温适用质子交换膜的制备方法，采用浇铸法或挤出法，包括以下步骤：
[0018]步骤一，备料：
[0019]按质量比，高分子化合物：有机固体溶剂：质子供体：增塑剂：添加剂：助剂＝1:(0.3
‑
0.5):(0.4
‑
0.6):(0.02
‑
0.04):(0.04
‑
0.08):(0.001
‑
0.004)；按质量体积比，高分子化合物：溶剂＝1:(0
‑
8)，单位g:ml；
[0020]步骤二，薄膜制备：
[0021]方式1，当采用浇铸法制备质子交换膜时，步骤如下：
[0022]采用浇铸法时要先制备质子交换膜前驱体，其具体操作方案为：
[0023](1)质子交换膜前驱体溶液制备：
[0024]将称量好的高分子化合物、质子供体、有机固体溶剂、助剂、电解质添加剂和增塑剂混合均匀后，加入相应体积的溶剂，混合均匀，获得质子交换膜前驱体溶液；
[0025](2)浇铸：
[0026]将质子交换膜前驱体溶液浇铸至离型膜上，自然流平后干燥，制得全固态微量含水低温适用质子交换膜；
[0027]方式2，当采用熔融挤出法制备质子交换膜时，步骤如下：
[0028]将称量好的高分子化合物、质子供体、有机固体溶剂、电解质添加剂和增塑剂混合后，加热至熔融状态后，缓慢挤出，制得全固态微量含水低温适用质子交换膜。
[0029]所述的步骤一中，当采用浇铸法时，高分子化合物：溶剂＝1:(8
‑
10)，单位g:ml；当采用挤出法时，高分子化合物：溶剂＝1:0，单位g:ml。
[0030]所述的步骤二方式1(1)中，采用浇铸法时，电解质前驱体在常温常压下即可浇铸。
[0031]所述步骤二方式1(2)中，浇铸具体过程为：
[0032](1)将离型膜附在玻璃基板或者聚四氟乙烯基板上，用酒精棉擦拭干净；
[0033](2)用水平仪将附有离型膜的玻璃基板或者聚四氟乙烯基板调平；
[0034](3)用胶头滴管吸取部分电解质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全固态微量含水低温适用质子交换膜，其特征在于，包括原料及质量配比为，高分子化合物：有机固体溶剂：质子供体：增塑剂：电解质添加剂：助剂＝1:(0.3
‑
0.5):(0.4
‑
0.6):(0.02
‑
0.04):(0.04
‑
0.08):(0.001
‑
0.004)；按质量体积比，高分子化合物：溶剂＝1:(0
‑
10)，单位g:ml；其中：所述的质子供体为磷酸、硫酸、盐酸、磷钨酸、亚磷酸、焦磷酸、亚硫酸、氢溴酸或氢碘酸中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比；所述的有机固体溶剂为四乙二醇二甲醚，丙三醇，乙二醇二甲醚或三乙二醇二甲醚中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比。2.根据权利要求1所述的全固态微量含水低温适用质子交换膜，其特征在于，所述的高分子化合物为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、乙烯
‑
乙烯醇共聚物、聚四氟乙烯或聚(偏氟乙烯co
‑
六氟丙烯)中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比。3.根据权利要求1所述的全固态微量含水低温适用质子交换膜，其特征在于，所述的增塑剂是中性有机塑化剂，所述的中性有机塑化剂为乙腈、丁二腈、乙二腈、新戊烷、环己胺、环丁烷、5
‑
甲基
‑
5，6，7，8
‑
四氢吡唑啉(1，2
‑
α)哒酮、聚丙烯腈、三氟甲基磺酸亚胺、对苯二甲酸二辛脂、二丙二醇二苯甲酸酯、多元醇苯甲酸酯或一缩二丙二醇中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比。4.根据权利要求1所述的全固态微量含水低温适用质子交换膜，其特征在于，所述的电解质添加剂为无机纳米粒子，所述的无机纳米粒子为纳米SiO2、纳米TiO2、纳米Al2O3、纳米ZnO、纳米ZrO2、纳米Ta2O5、纳米CeO2、纳米MoO3、纳米MgO或纳米Nb2O5中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比。5.根据权利要求1所述的全固态微量含水低温适用质子交换膜，其特征在于，所述的助剂为抗氧化剂或抗老化剂中的一种或两种混合，当为两种混合时，混合比为任意比。6.根据权利要求1所述的全固态微量含水低温适用质子交换膜，其特征在于，所述的溶剂为水，N，N
‑
二甲基甲酰胺、N，N
‑
二甲基乙酰胺、无水乙醇、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、乙基纤维素、二甲基乙酰胺或甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种，当为几种混合时，混合比为任意比。7.根据权利要求1所述的全固态微量含水低温适用质子交换膜，其特征在于，所述的全固态微量含水低温适用质子交换...

【专利技术属性】
技术研发人员：李响，李明亚，王晓强，桑潇钰，薛宁，任佳璇，谢惠东，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：