质子传导膜和制备质子传导膜的方法技术

本发明专利技术提供质子传导膜和制备质子传导膜的方法，所述方法包括：将高分子化合物与第一溶剂混合得到铸膜液，在支撑体表面利用流涎法形成铸膜液薄层，将所述铸膜液薄层置于第二溶剂中，相转化后形成多孔膜；对第三溶剂进行雾化，将雾化后的所述第三溶剂喷涂在所述多孔膜的表面；将雾化喷涂之后的所述多孔膜浸入所述第二溶剂中，洗去所述第三溶剂，得到质子传导膜。由此，本发明专利技术可以使多孔膜的表面发生局部溶胀，使质子传导膜的顶部孔径小于内部孔径，具有较高的离子选择性。而且，本发明专利技术还具有制膜方法简单、生产成本低的优点，易于进行工业化规模放大，提供了制备低成本高性能质子传导膜的新途径。膜的新途径。膜的新途径。

【技术实现步骤摘要】
质子传导膜和制备质子传导膜的方法


[0001]本专利技术属于质子传导膜
，具体涉及质子传导膜和制备质子传导膜的方法。

技术介绍

[0002]随着可再生能源发电的持续高速发展，电力系统对储能的需求日益增加。储能装备可解决可再生能源发电的间歇性、波动性，可用于电力系统削峰填谷，成为维持电网稳定，提升电力系统安全性的重要手段。全钒液流电池(Vanadium Redox battery,VRB)利用不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，将正极电解液、负极电解液分别储存在两个不同的储槽中，当它们流过电堆时发生氧化/还原反应，完成电能与化学能相互转换。电池内部使用质子传导膜将流过电堆时的两种电解液隔离，避免不同价态钒离子渗透产生交叉放电导致能量损失。该质子传导膜也称作隔膜，其性能和结构决定钒电池的效率和循环稳定性。
[0003]全钒液流电池所需质子传导膜应具有如下特征：
①
钒离子透过率低，交叉污染小，降低电池自放电，提高能量效率。
②
氢质子透过率高，膜电阻小，提高电压效率。
③
具有一定机械强度，耐化学腐蚀、耐电化学氧化，保证较长循环寿命。
④
电池充放电时水渗透量小，保持正极和负极电解液的水平衡。
[0004]然而，现有的用于全钒液流电池的质子传导膜存在制备过程复杂、难以投入实际生产应用的缺陷。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上改善上述问题的至少之一。
[0006]为改善上述技术问题，本专利技术提供一种制备质子传导膜的方法，所述方法包括：将高分子化合物与第一溶剂混合，得到铸膜液，在支撑体表面利用流涎法形成铸膜液薄层，将所述铸膜液薄层置于第二溶剂中，相转化后形成多孔膜；对第三溶剂进行雾化，将雾化后的所述第三溶剂喷涂在所述多孔膜的表面；将雾化喷涂之后的所述多孔膜浸入所述第二溶剂中，洗去所述第三溶剂，得到质子传导膜。由此，本专利技术可以使多孔膜的表面发生局部溶胀，使质子传导膜的顶部孔径小于内部孔径，具有较高的离子选择性。而且，本专利技术的质子传导膜仅使用同一种高分子材料形成，结构更稳定。此外，本专利技术还具有制膜方法简单、生产成本低的优点，易于进行工业化规模放大、进行连续化制膜，提供了制备低成本高性能质子传导膜的新途径。
[0007]根据本专利技术的实施例，所述高分子化合物包括聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚苯并咪唑、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜、醋酸纤维素中的至少一种；所述第一溶剂包括N,N
‑
二甲基乙酰胺、N,N
‑
二甲基甲酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的至少一种；所述第二溶剂包括去离子水、乙醇、甲醇、丙醇、丙酮中的至少一种。
[0008]根据本专利技术的实施例，所述铸膜液中所述高分子化合物的重量百分浓度为10
‑
25％，所述支撑体包括平板玻璃。
[0009]根据本专利技术的实施例，所述铸膜液薄层的厚度为60
‑
250微米。
[0010]根据本专利技术的实施例，所述第三溶剂包括有机溶剂、有机溶剂与水的混合物中的任意一种；所述有机溶剂包括N,N
‑
二甲基乙酰胺、N,N
‑
二甲基甲酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的至少一种。
[0011]根据本专利技术的实施例，对所述第三溶剂进行雾化的方式包括超声波雾化、静电雾化、加压雾化中的任意一种。
[0012]根据本专利技术的实施例，在形成多孔膜之后，所述方法还包括：将所述多孔膜置于温度为20
‑
100℃的加热平台上，对第三溶剂进行雾化，将雾化后的所述第三溶剂喷涂在所述多孔膜的表面。
[0013]根据本专利技术的实施例，将雾化后的所述第三溶剂喷涂在所述多孔膜的表面的具体条件为：喷涂次数1
‑
8次，喷头与多孔膜之间的距离10
‑
100mm，喷涂流量50
‑
800μLmin
‑1。
[0014]本专利技术还提供一种质子传导膜，所述质子传导膜是由前文所述的方法制备得到的。由此，该质子传导膜具有前文所述的方法所具有的全部特征和优点，在此不再赘述。
[0015]根据本专利技术的实施例，所述质子传导膜包括致密皮层和位于所述致密皮层下的多孔层；所述致密皮层的厚度为1～2微米。
附图说明
[0016]图1为本专利技术一个实施例中，制备质子传导膜的方法流程图；
[0017]图2为实施例1中质子传导膜的照片；
[0018]图3为实施例2中质子传导膜的照片；
[0019]图4为实施例1中质子传导膜的断面电镜图像；
[0020]图5为对比例1中质子传导膜的断面电镜图像；
[0021]图6为本申请实施例1的质子传导膜和对比例1的质子传导膜用于全钒液流电池的性能对比图。
具体实施方式
[0022]下面详细描述本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂未注明生产厂商者，均为可以通过市场购买获得的常规产品。
[0023]本专利技术提供一种制备质子传导膜的方法，参考图1，所述方法包括：
[0024]S100、将高分子化合物与第一溶剂混合，得到铸膜液，在支撑体表面利用流涎法形成铸膜液薄层，将所述铸膜液薄层置于第二溶剂中，相转化后形成多孔膜；
[0025]S200、对第三溶剂进行雾化，将雾化后的所述第三溶剂喷涂在所述多孔膜的表面；
[0026]S300、将雾化喷涂之后的所述多孔膜浸入所述第二溶剂中，洗去所述第三溶剂，得到质子传导膜。
[0027]本申请的多孔膜是通过非溶剂诱导相分离(NIPS)制备的，在步骤S100中，在进行相转化的过程中，可以将多孔膜与支撑体分离。专利技术人发现，步骤S200中，如果不对第三溶
剂进行雾化，直接将第三溶剂喷涂在多孔膜的表面，会导致膜表面溶胀不均匀，并且还可能使膜表面溶解破裂。本申请通过在多孔膜表面喷涂雾化后的第三溶剂，可以使组成表面多孔膜的高分子均匀的发生局部溶胀，该溶胀行为仅仅发生在亚纳米尺度的微孔周边的限域空间内，使高分子化合物发生分子堆积状态重排，减小多孔膜的表面孔径，提高阻挡钒离子能力；该多孔膜表面以下部分，不受雾化溶剂影响，仍然保持原有的大孔通道，有利于氢离子通过，有效降低膜面电阻。本申请的质子传导膜依靠亚纳米微孔的筛分效应，在不影响质子导通的前提下，利用空间位阻来降低钒离子渗透性。而且，本专利技术的质子传导膜分子结构中不含有离子交换基团，避免了由于离子交换基团降解导致的电导率衰减。此外，本专利技术仅使用同一种高分子材料，便可制备出沿着膜厚度方向具有孔径变化的质子传导膜。本专利技术在制备过程中没有引入其它高分子材料，同一种高分子化合物形成的具有孔径变化的质子传导膜相容性优良，不存在局部微分相导致的结构失本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备质子传导膜的方法，其特征在于，所述方法包括：将高分子化合物与第一溶剂混合，得到铸膜液，在支撑体表面利用流涎法形成铸膜液薄层，将所述铸膜液薄层置于第二溶剂中，相转化后形成多孔膜；对第三溶剂进行雾化，将雾化后的所述第三溶剂喷涂在所述多孔膜的表面；将雾化喷涂之后的所述多孔膜浸入所述第二溶剂中，洗去所述第三溶剂，得到质子传导膜。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高分子化合物包括聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚苯并咪唑、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜、醋酸纤维素中的至少一种；所述第一溶剂包括N,N
‑
二甲基乙酰胺、N,N
‑
二甲基甲酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的至少一种；所述第二溶剂包括去离子水、乙醇、甲醇、丙醇、丙酮中的至少一种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸膜液中所述高分子化合物的重量百分浓度为10
‑
25％；所述支撑体包括平板玻璃。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸膜液薄层的厚度为60
‑
250微米。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三溶剂包括有机溶剂、有机溶剂与水的混合物中的任意一种；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保国，甄翊含，万磊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：