【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及全钒液流电池制备领域，尤其涉及一种离子交换膜及其制备方法。
技术介绍
1、全钒液流电池因其具备了储能容量大，转化效率高，循环寿命长等优点受到高度重视。该电池的关键组件就是隔膜，现今应用最广的是nafion系列隔膜。但该系列膜存在着严重的钒离子渗透，并非是最佳的离子交换膜。
2、电堆中的隔膜同时担负着隔绝两极电解液以及参与电化学反应的质子提供传输通道的功能，是电池的关键材料，决定电池的最终寿命，作为钒电池核心组件的电池隔膜是电池发展的瓶颈，隔膜不仅要分离正负极电解液，还需要传导质子，理想的钒电池隔膜应该具备优异的阻钒性、稳定性、质子透过率、限制水渗透，现有公开文献中，钒电池隔膜按照其形态可分为致密膜与多孔膜两类，致密膜主要是借助附属于膜上的离子交换基团来实现电荷载体的传输，多孔膜根据孔径筛分原理选择性的通过较小的质子。
3、聚偏二氟乙烯是一种高度非反应性热塑性含氟聚合物，具备良好的耐腐蚀性和机械稳定性可以应用于燃烧电池，后可尝试加入钒液流电池体系中作为离子交换膜，但是聚偏二氟乙烯膜离子交换膜也出现钒离子渗透严重的缺陷，因此提高聚偏二氟乙烯膜的阻钒性成为该膜在钒电池体系中实现应用首要解决的问题。
技术实现思路
1、为解决现有的全钒液流电池中所用离子交换膜存在钒离子产生过渗现象，以及质子交换率、通过率过低等问题，本专利技术提供了一种离子交换膜，以及该离子交换膜的制备方法。
2、本专利技术的主要目的在于：
3、一、提高离子交换膜
4、二、加大离子交换膜的质子通过率，提高质子电导率；
5、三、强化离子交换膜的机械强度。
6、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。
7、一种离子交换膜的制备方法，
8、所述方法包括：
9、（1）将聚合物、吡啶衍生物与磺酸按比例混合为混合粉末，将混合粉末加入至间甲酚溶液中溶解，制备基材；
10、（2）将金属氯化盐、甲酯类化合物与酰胺化合物按比例混合，溶解搅拌，制备基材填料；
11、（3）将基材与基材填料按比例混合均匀，超声分散，使用蒸汽诱导相分离法制得离子交换膜。
12、作为优选，
13、步骤（1）所述聚合物为聚苯醚；
14、步骤（1）所述吡啶衍生物为1,2-双(4-吡啶基)乙烷；
15、步骤（1）所述磺酸为水含量＜30 %、纯度＞70.0 %的2,2'-联苯胺二磺酸。
16、作为优选，
17、步骤（1）所述聚合物、吡啶衍生物与磺酸按2：（1.4～1.6）：（0.7～1.1）的质量比混合均匀。
18、作为优选，
19、步骤（1）所述间甲酚溶液使用量为混合粉末松装体积的290～310 %vol。
20、作为优选，
21、步骤（1）所述制备基材在氮气气氛、温度200～240 ℃环境条件下持续搅拌，反应12～18 h，至溶液呈现粘稠状。
22、作为优选，
23、步骤（2）所述金属氯化盐为三氯化铬；
24、步骤（2）所述甲酯类化合物为2-硝基对苯二甲酸二甲酯；
25、步骤（2）所述酰胺化合物为二甲基甲酰胺。
26、作为优选，
27、步骤（2）所述金属氯化盐、甲酯类化合物与酰胺化合物按1：（1.1～1.3）：（2.7～3.0）的质量比混合均匀。
28、作为优选，
29、步骤（2）所述制备基材填料在温度为100～120 ℃环境条件下持续搅拌，反应20～26 h后过滤，使用无水乙醇冲洗固体，在60～70 ℃干燥箱中烘干4～6 h。
30、作为优选，
31、步骤（3）所述基材与基材填料按1：（0.3～0.5）的质量比混合均匀；
32、步骤（3）所述蒸汽诱导相分离为：
33、先于90～120 ℃条件下反应30～40 min，随后刮板形成初生液膜，将初生液膜置于70～80 ℃、相对湿度60～80 %的条件下恒温恒湿处理30 min成膜，随后置于去离子水中至其自然脱模后即得到离子交换膜。
34、一种离子交换膜。
35、在钒电池的实际应用过程中为避免不同价态的钒离子在长期使用过程中出现交叉污染，使电解液报废，本专利技术提供了一种离子交换膜及其制备方法，本专利技术的核心之处在于利用对聚苯醚外接带电基团，使得聚苯醚在蒸汽诱导相分离的作用下在膜材内部构建具备特殊孔径的海绵状孔道结构，提高交换膜对钒离子的阻碍能力。本专利技术技术方案原理为利用电解液中质子与各价态钒离子的斯托克斯半径差别较大，利用孔径筛分原则制备具有合适孔径的交换膜，将半径较大的各价态钒离子阻隔在交换膜两侧，允许较小的质子顺利通过并且扩散出去，此外在本专利技术技术方案中在聚苯醚侧链上引入具备相对正电性的吡啶基团，基于吉布斯-唐南效应阻碍钒离子的扩散，又利用吡啶中氮元素与电解质中的酸酐相互作用，赋予质子发生价位跳跃的化学能，提高了质子传导，经过蒸汽诱导法制备拥有海绵状多孔结构的交换膜，该多孔膜微孔大小为微米级且孔壁厚度超薄，依照质子运输机理有利于质子的传导，微孔所带的正电荷能确保质子选择性，而微孔内酸都能提高质子电导率，同时本专利技术将基材引入携带正电荷的咪唑基团影响交换膜结构内部的金属有机框架晶体成长速度，进而控制孔道的结构、尺寸和分布，使得质子的扩散系数远高于钒离子，在交换膜的微观结构中，存在着亲水的磺化基团和疏水的金属有机骨架，两者相互作用形成了疏水-亲水相分离结构，侧链上修饰的磺化基团相互集聚形成分子通道，有利于质子和水的传导，疏水-亲水相分离结构同时具备八面体和四面体笼状结构，构建的交换通道孔径能够介于质子粒径和钒离子粒径之间，从而实现供给质子通过而截留钒离子的效果，能够通过孔径筛分原则有效地阻止钒离子的扩散，却不阻碍质子的传导。
36、在本专利技术技术方案中另一核心之处在于，由于聚合吡啶的引入，离子交换膜在在钒电池中长期使用时存在明显的降解，稳定性较差，本专利技术使用有机金属框架与吡啶基团配位产生“锚定效应”，聚苯醚在蒸汽诱导相分离过程中会因膜孔收缩作用而固定在基膜的曲折孔中，同时，酰胺也可以锚定在交换膜基材之上，另一方面，有机金属框架能够与聚苯醚之间产生氢键和静电效应，能够使得交换膜内部结构具备很强的稳定性，同时由于晶格体系间存在内连接效果，使得交换膜具备很高的结构和化学稳定性。
37、现有技术方案中是通过熔融挤出方法制备交换膜，制备出的交换膜为致密结构膜，具备一定的孔洞结构，这种方式制备的交换膜能够保障交换膜具有很大的离子通过率，但是同时内部的不规则孔腔会降低膜的机械性能。水蒸汽诱导相分离法是将初生膜液放置在非溶剂的蒸汽氛围中，水蒸汽向膜液内部扩散和溶剂的不断挥发造成体系发生相分离，于是便逐渐形成了多孔膜，在水蒸汽穿膜过程中，初生膜液与水蒸汽交换速度的快慢，会影响孔径的大小和孔壁的稳定结构，若想要达到本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
3.根据权利要求1或2所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
6.根据权利要求1所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
7.根据权利要求1或6所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
8.根据权利要求1所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
9.根据权利要求1所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
10.一种由权利要求1至9任一方法所制得的离子交换膜。
【技术特征摘要】
1.一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
3.根据权利要求1或2所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的一种离子交换膜的制备方法，其特征在于，
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【专利技术属性】
技术研发人员：郑翔宇，何永强，易中强，吴可，蒋鹏，
申请(专利权)人：浙江聚合储能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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