复合电解质膜制造技术

本公开涉及改进的具有低溶胀性质的复合电解质膜，包含所述改进的复合电解质膜的膜电极组件和电化学装置，以及制造所述膜的方法。以及制造所述膜的方法。以及制造所述膜的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合电解质膜


[0001]本公开涉及改进的具有低溶胀性质的复合电解质膜、包含所述膜的膜
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电极组件和电化学装置，以及制造所述膜的方法。

技术介绍

[0002]氧化还原液流电池包括被电解质膜隔开的两个半电池，每个半电池包括液体电解质储器(阴极电解质和阳极电解质)。电解质膜充当物理和电分离器，可防止半电池之间活性物质的交叉，同时允许质子在电解质储器之间移动以平衡电荷。
[0003]氧化还原液流电池中使用的电解质膜(例如复合聚合物电解质膜)通常夹在两个电极(阴极和阳极)之间，每个电极都压在电解质膜的相对表面上。电解质膜和电极通常夹在两个双极板之间，并通过框架固定在一起，形成氧化还原液流电池单元。氧化还原液流电池系统通常包括串联连接的氧化还原液流电池单元堆。
[0004]电解质膜必须能够轻松集成到单元堆中。通常，采用两种方法在氧化还原液流电池单元堆中组装电解质膜：湿式组装和干式组装。
[0005]在湿式组装方法中，电解质膜用水预先润湿，以便在电极被压在膜上之前使膜溶胀，并且整个系统用框架固定在一起。在干式组装方法中，电池单元的所有元件都在干燥条件下组装，一旦单元组装完成，膜就会与电解质溶液的溶剂接触。
[0006]在与液体电解质接触时，电解质膜从电解质溶液中吸收至少一些液体(通常是水)，导致膜溶胀。与在干燥条件下对膜进行的初始测量相比，这种溶胀会改变膜在运行中的性质。例如，在与电解质接触时，膜会吸收一些液体并经常溶胀，导致膜的尺寸发生变化。这会导致膜下垂，从而降低膜在运行中的性能。此外，由于起皱、折叠、挤压其他单元组件，溶胀时尺寸的这种变化可能会导致膜损坏。
[0007]干式组装方式的优点在于其比湿式组装方式涉及的步骤更少，因此可以提高组装效率，并且可以将制造成本降至最低。然而，使用干式方法组装的现有技术的膜在与电解质流体接触时溶胀可能会改变尺寸并且可能对膜造成损坏。相比之下，使用湿式组装的膜从组装到单元中到电池运行的过程中往往会经历较小的尺寸变化，因此在单元中组装后电解质膜损坏的风险较低。
[0008]此外，在与电解质溶液接触时明显溶胀的电解质膜体积增加并且还倾向于增加单元隔件的面积。单元离子交叉点面积的增加是有问题的，因为这可能导致离子屏蔽和电流效率电压降低。离子穿过膜的绝对通量与膜的面积成正比。电解质膜面积的增加会导致离子屏蔽效率降低(即更多离子可以穿过膜进入另一个半电池)。这会对电池的寿命和效率产生不利影响。电池电流效率的降低意味着与电池可实现的能量输出相比，需要更多的能量来为电池充电。
[0009]因此，需要在水合作用时具有低尺寸变化的电解质膜，即低溶胀性质，特别是在膜的纵向和横向方向上具有低溶胀性质，其提供良好的电池效率并且在电池单元中组装电解质膜时不会出现气泡。

技术实现思路

[0010]在一个方面，提供一种复合电解质膜，该复合电解质膜包括：
[0011]a)至少一个包含微孔聚合物结构的多孔层；和
[0012]b)离子交换材料，其至少部分地嵌入微孔聚合物结构内并使微孔聚合物结构封闭，
[0013]c)其中，复合电解质膜在50％相对湿度下沿复合电解质膜的第一轴向和第二轴向的弹性模量大于约450MPa；
[0014]d)其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，至少一个多孔层在该多孔层的第一轴向和第二轴向上具有至少约30N/m的弹性强度；
[0015]其中，至少一个多孔层在该多孔层的第一轴向和第二轴向上的弹性强度的绝对比为约0.45至约2.20。
[0016]在另一方面，提供一种复合电解质膜，该复合电解质膜包括：
[0017]a)至少一个包含微孔聚合物结构的多孔层；和
[0018]b)离子交换材料，其至少部分地嵌入微孔聚合物结构内并使微孔聚合物结构封闭，
[0019]其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，复合电解质膜在约100％相对湿度下在复合电解质膜的第一轴向上具有至少约300MPa的弹性模量，并且在约100％相对湿度下在复合电解质膜的第二轴向上具有至少约300MPa的弹性模量；
[0020]其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，至少一个多孔层在复合电解质膜的第一方向和第二方向上具有至少约30N/m的弹性强度；和
[0021]其中，至少一个多孔层在该多孔层的第一轴向和第二轴向上的弹性强度的绝对比为约0.40至约2.20。
[0022]在另一方面，提供一种复合电解质膜，该复合电解质膜包括：
[0023]a)至少一个包含微孔聚合物结构的多孔层；和
[0024]b)离子交换材料，其至少部分地嵌入微孔聚合物结构内并使微孔聚合物结构封闭，
[0025]其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，复合电解质膜在50％相对湿度下在复合电解质膜的第一轴向和第二轴向上具有至少约450MPa的弹性模量；
[0026]其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，至少一个多孔层在该多孔层的第一轴向和第二轴向上具有至少约30N/m的弹性强度；
[0027]其中，复合电解质膜在该复合电解质膜的第一轴向上的弹性模量与复合电解质膜在该复合电解质膜的第二轴向上的弹性模量的绝对比为约0.45至约2.20。
[0028]在另一方面，提供一种复合电解质膜，该复合电解质膜包括：
[0029]a)至少一个包含微孔聚合物结构的多孔层；和
[0030]b)离子交换材料，其至少部分地嵌入微孔聚合物结构内并使微孔聚合物结构封闭，
[0031]其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，复合电解质膜在约100％相对湿度下在复合电解质膜的第一轴向和第二轴向上具有至少约300MPa的弹性模量；
[0032]其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，至少一个多孔层在该多孔层的第
一轴向和第二轴向上具有至少约30N/m的弹性强度；和
[0033]其中，复合电解质膜在该复合电解质膜的第一轴向上的弹性模量与复合电解质膜在该复合电解质膜的第二轴向上的弹性模量的绝对比为约0.45至约2.20。
[0034]在另一方面，提供一种复合电解质膜，该复合电解质膜包括：
[0035]a)至少一个包含微孔聚合物结构的多孔层；和
[0036]b)离子交换材料，其至少部分地嵌入微孔聚合物结构内并使微孔聚合物结构封闭，
[0037]其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，复合电解质膜在约100％相对湿度下在复合电解质膜的第一轴向和第二轴向上具有至少约300MPa的弹性模量。
[0038]复合电解质膜在该复合电解质膜的第一轴向和第二轴向上的弹性模量的绝对比可以为约0.40至约2.20，或约0.45至约2.20，或约0.45至约2.10，或约0.80至约1.20，或约0.80至约1.00，或约0.80至约0.90，或约0.70至约1.30，或约0.60至约1.80，或约0.90至约1.20，或约1.00至约1.20本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种复合电解质膜，所述复合电解质膜包括：a)至少一个包含微孔聚合物结构的多孔层；和b)离子交换材料，其至少部分地嵌入微孔聚合物结构内并使微孔聚合物结构封闭，其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，复合电解质膜在50％相对湿度下在复合电解质膜的第一轴向和第二轴向上具有至少约450MPa的弹性模量；其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，至少一个多孔层在该多孔层的第一轴向和第二轴向上具有至少约30N/m的弹性强度；其中，复合电解质膜在该复合电解质膜的第一轴向上的弹性模量与复合电解质膜在该复合电解质膜的第二轴向上的弹性模量的绝对比为约0.45至约2.20。2.如权利要求1所述的复合电解质膜，其中，至少一个多孔层在该多孔层的第一轴向上的弹性强度与至少一个多孔层在该多孔层的第二轴向上的弹性强度的绝对比为约0.45至约2.20。3.如权利要求1或2所述的复合电解质膜，其中，复合电解质膜在第一轴向和第二轴向上的弹性模量的绝对比为约0.45至约2.10，或约0.50至约2.00，或约0.80至约1.20，或约0.80至约1.00，或约0.80至约0.90，或约0.70至约1.30，或约0.60至约1.80，或约0.90至约1.20，或约1.00至约1.20，或约1.10至约1.20。4.如前述权利要求中任一项所述的复合电解质膜，其中，至少一个多孔层在第一轴向和第二轴向上的弹性强度的绝对比为约0.45至约2.20，或约0.45至约2.10，或约0.50至约2.00，或约0.80至约1.20，或约0.80至约1.00，或约0.80至约0.90，或约0.70至约1.30，或约0.60至约1.80，或约0.90至约1.20，或约1.00至约1.20，或约1.10至约1.20。5.如前述权利要求中任一项所述的复合电解质膜，其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，复合电解质膜在该复合电解质膜的第一轴向上具有至少约55MPa的极限拉伸强度，和/或其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，复合电解质膜在该复合电解质膜的第二轴向上具有至少约60MPa的极限拉伸强度。6.如前述权利要求中任一项所述的复合电解质膜，其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，在多孔层的第一轴向上的总多孔层极限卷材拉伸强度为至少约800N/m，和/或其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，在多孔层的第二轴向上的总多孔层极限卷材拉伸强度为至少约800N/m。7.如前述权利要求中任一项所述的复合电解质膜，其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，在多孔层的第一轴向上的总多孔层弹性强度为至少约30N/m，和/或其中，当根据本文所述的拉伸强度测试测量时，多孔层的第二轴向上的总多孔层弹性强度为至少约30N/m。8.如前述权利要求中任一项所述的复合电解质膜，其中，当根据本文所述的溶胀测试在约100％相对湿度和100℃下测量时，复合电解质膜在该复合电解质膜的第一方向上的溶胀率最高至约6％，任选地其中，当根据本文所述的溶胀测试在约100％相对湿度和约100℃下测量时，复合电解质膜在该复合电解质膜的第一方向上的溶胀率为约5.2％，和/或其中，当根据本文所述的溶胀测试在约100％相对湿度和100℃下测量时，复合电解质膜在该复合电解质膜的第二方向上的溶胀率等于或小于约6％或约7％，任选地其中，当根
据本文所述的溶胀测试在100％相对湿度和约100℃下测量时，复合电解质膜在该复合电解质膜的第二方向上的溶胀率为约7％，或约5％，或约2％。9.如前述权利要求中任一项所述的复合电解质膜，其中，至少一个多孔层的微孔聚合物结构包含氟化聚合物，任选地，以下中的至少一项：所述氟化聚合物是聚四氟乙烯(PTFE)，聚(乙烯
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共
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四氟乙烯)(EPTFE)，膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)，聚偏二氟乙烯(PVDF)，膨胀聚偏二氟乙烯(ePVDF)，膨胀聚(乙烯
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共
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四氟乙烯)(eEPTFE)或它们的混合物。10.如权利要求9所述的复合电解质膜，其中，氟化聚合物是全氟化的膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)；任选地，其中，复合电解质膜具有的微孔聚合物结构总含量(单位面积的质量)选自：基于复合电解质膜的总面积，约5.5g
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‑2至约80g
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‑2，或约8g
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‑2至约50g
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‑2，或约20g
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‑2至约40g
·
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‑2，或者基于复合电解质膜的总面积，约31g
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m
‑2。11.如权利要求1
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9中任一项所述的复合电解质膜，其中，至少一个多孔层的微孔聚合物结构包含烃聚合物，任选地，其中所述烃聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯或它们的混合物。12.如前述权利要求中任一项所述的复合电解质膜，其中，以下中的至少一项：基于复合电解质膜的总体积，复合电解质膜具有的微孔聚合物结构总含量为约15体积％至约70体积％，任选地，其中，基于复合电解质膜的总体积，复合电解质膜具有的总微孔聚合物含量为约42体积％；当根据本文所述的厚度测量测试在50％相对湿度和25℃下测量时，复合电解质膜的厚度为约10μm至约115μm，任选地，其中，当根据本文所述的厚度测量测试在50％相对湿度和25℃下测量时，复合电解质膜的厚度为约40μm；当根据本文所述的厚度测量测试在50％相对湿度和25℃下测量时，至少一个多孔层的厚度为约0.1μm至约230μm，任选地，其中，当根据本文所述的厚度测量测试在50％相对湿度和25℃下测量时，至少一个多孔层的厚度为约85μm。13.如前述权利要求中任一项所述的复合电解质膜，其中，至少一个多孔层具有第一表面和第二表面；并且其中，离子交换材料在至少一个多孔层的第一表面或第二表面中的至少一个上形成层；或其中，至少一个多孔层具有第一表面和第二表面；并且其中，离子交换材料在至少一个多孔层的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：铃木健之，A，
申请(专利权)人：日本戈尔合同会社，
类型：发明
国别省市：