[发明专利]一种侧链型磺化聚酰亚胺/全氟磺酸复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种侧链型磺化聚酰亚胺/全氟磺酸复合膜，包括侧链型磺化聚酰亚胺高分子聚合物和全氟磺酸高分子聚合物，所述侧链型磺化聚酰亚胺高分子聚合物和全氟磺酸高分子聚合物的质量比为1.0:0.05～0.25。该复合膜不仅具有杰出的水解稳定性、化学稳定性及尺寸稳定性，而且还具有优异的机械性能和质子选择性能。本发明还提供一种工艺简单，容易操作的侧链型磺化聚酰亚胺/全氟磺酸复合膜的制备方法。还提供该复合膜在全钒液流电池中的应用，在全钒液流电池领域有着良好的应用前景，其作为隔膜使用，可使电池展现出优异的电池效率和充放电循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池隔膜领域，尤其涉及一种侧链型磺化聚酰亚胺/全氟磺酸复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

能源短缺已成为世界各国均要面对的一个严峻问题，能源短缺导致的电力供需矛盾已成为制约我国经济可持续发展和提高人民生活水平的瓶颈之一，加快开发太阳能、潮汐能、风能等可再生能源的利用已成为我国能源发展的基本国策。但是，可再生能源发电过程具有明显的不连续性、不稳定性，并且容易受发电时间、昼夜、季节等因素的影响。因此，配备高效的大规模电力储能装置是解决可再生能源发电非稳态特性的重要手段。全钒液流电池是一种新型绿色电池，具有容量和功率可调、大电流无损深度放电、运行安全、易操作和维护、使用寿命长、无环境污染等特点，可应用于可再生能源的储能设备、应急电源系统、电网的调峰调频等众多领域。

隔膜作为全钒液流电池的重要组件之一，既要能阻止正负极电解液相互混合以减缓电池的自放电速率，提高电池的效率，又要允许平衡电荷的离子通过以实现电流传输，使电池形成一个完整的闭合回路。因此，隔膜的离子传导能力、阻钒性能、化学稳定性、机械强度等性能直接影响电池的效率和运行稳定性，进而影响全钒液流电池系统的技术经济性。目前，化学稳定性好、质子传导率高的全氟磺酸(Nafion)系列膜得到了运用。但是，Nafion系列膜昂贵的价格以及较高的钒渗透、水迁移又限制了其大规模的商业化发展。因此，国内外开展了大量的全钒液流电池用其它类型隔膜材料的研究工作。其中，磺化聚酰亚胺膜因其具有良好的成膜性、杰出的阻钒性能、优异的质子选择性及较低的价格等优点，被作为全钒液流电池用隔膜材料重要的候选者之一。将磺化聚酰亚胺膜应用于全钒液流电池中，电池展现出优异的效率和容量保持率。但磺化聚酰亚胺膜存在化学稳定性较差的劣势，在强酸强氧化性的全钒液流电池电解液中会产生微观缺陷，使电池的使用寿命大大减短。

目前，研究者主要针对于采用引入无机物(例如：二氧化钛、二氧化锆、氧化石墨烯等)来提升磺化聚酰亚胺膜的理化性能。但是无机填料具有以下三面方面缺陷：(1)无机物与磺化聚酰亚胺具有强的不相容性，这导致无机物很难大量的被兼并入复合膜中，从而使复合膜的化学稳定性不易获得大幅提升；(2)无机物在磺化聚酰亚胺膜中较难均匀分布，并易于团聚，这不利于复合膜的均一性和高机械性能；(3)无机物的堵塞效应会使复合膜的质子传导率降低，不利于电池获得高的电压效率。此外，研究者也试图将有机物(例如：聚乙烯醇、壳聚糖等)引入磺化聚酰亚胺膜中，但这些有机物的引入并未特别有效地提升磺化聚酰亚胺膜的化学稳定性。因此，掌握一种提高磺化聚酰亚胺膜化学稳定性及其理化性能的方法尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种侧链型磺化聚酰亚胺/全氟磺酸复合膜及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种侧链型磺化聚酰亚胺/全氟磺酸复合膜，包括侧链型磺化聚酰亚胺高分子聚合物和全氟磺酸高分子聚合物，所述侧链型磺化聚酰亚胺高分子聚合物和全氟磺酸高分子聚合物的质量比为1.0:0.05～0.25。

上述的侧链型磺化聚酰亚胺/全氟磺酸复合膜，优选的，所述侧链型磺化聚酰亚胺高分子聚合物的化学结构式如下：

优选的，所述侧链型磺化聚酰亚胺/全氟磺酸复合膜的厚度为30～60μm。