[发明专利]一种具有离子导通性能的微孔聚合物膜及其制备方法及应用

说明书

一种具有离子导通性能的微孔聚合物膜及其制备方法及应用，所述薄膜含有微孔及羧酸/羧酸盐/磺酸基团。离子导体功能微孔聚合物薄膜的制备包括：以多羟基和多卤代单体制备微孔聚合物；制备微孔聚合物膜；将聚合物中的氰基/羧酸酯基团水解转化为羧基盐获得离子导体功能的微孔聚合物薄膜；对于含有甲基/醛基/巯基的聚合物可通过氧化将聚合物薄膜中的甲基或醛基转化为羧基/磺酸基，获得离子导体功能微孔聚合物薄膜；通过离子交换获得具有质子/钠/锂/钾离子及其它特定离子的微孔聚合物薄膜；在水系和有机系电解液中测试离子导体功能。本发明制备的离子导体微孔聚合物薄膜具有制备工艺简单、离子可交换、稳定性和安全性好、易于使用等优点。

技术领域

本发明涉及一种聚合物基离子导体隔膜，尤其涉及将骨架含有或者部分含有羧酸/羧酸盐及磺酸及磺酸盐的有机微孔聚合物薄膜应用于质子、锂离子、钠离子、钾离子、锌离子、铝离子等选择性导通领域，能够很好的阻挡空气中各种成分以及水蒸气的透过，可在相应金属-空气电池(包括锂、钠、钾、镁、锌等金属)、锂硫电池、液流电池、锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、铝离子电池、燃料电池、以及电解池等涉及离子导通的器件中作为隔膜或者固体电解质材料使用。

背景技术

具有特定离子导体功能的薄膜在金属空气电池(选择性透过相应客体离子，并有效阻挡氧气、二氧化碳与水蒸气的透过)、锂硫电池(传导锂离子并有效阻挡多硫离子的穿梭)、液流电池(质子或相应客体离子传导而阻挡活性成分的穿梭)燃料电池(质子导体)、锂离子电池(锂离子导体)、钠离子电池(钠离子导体)及众多储能器件中被广泛使用，其起到有效分隔阴阳两极的活性物质，避免短路的同时应能够对客体离子进行快速传导。

随着全固态电池的发展，无机陶瓷离子导体隔膜已被广为研究。但是无机陶瓷膜存在着成本高、成品率低、不能弯曲的缺点，这限制了其大规模推广，尤其无机膜一般耐受酸碱性能较差，这严重限制了其应用领域。

近来，随着可穿戴柔性电子的领域的快速发展，发展具有离子导通性能优良的柔性隔膜已经成为柔性储能器件发展的关键技术。

聚四氟乙烯和全氟-3，6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物，即膜，是目前广被使用的离子导通隔膜，其具有柔性好、可加工性高的特点，但是其隔膜具有较大的孔道，无法有效阻隔溶剂的穿梭，同时其制备工艺复杂、成本高。

中国发明专利CN101891848A公开一种基于聚乙烯醇的单及制备离子聚合物电解质以及制备方法，提高了锂离子电池的安全性能，且成本较低。

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中国发明专利CN106887622A公开一种含氟单离子导体聚合物电解质及其制备方法与应用。

这些有机聚合物电解质的成膜性能及离子导电率还不能满足电池需求，绝大多数具有离子导体功能的聚合物膜为混合膜，聚合物只起到结构支撑作用，离子导体功能的实现更多依赖于掺杂其中的金属盐；而纯聚合物膜的离子导通基团主要接枝于侧链，合成步骤多、稳定性和机械性能不理想，由于分子链自身不具有孔结构，需要通过相分离等手段制备为具有较大孔的纳滤或者微滤膜，溶剂等分子无法被有效阻隔，因此为了获得高性能的能够阻挡溶剂分子的具有离子传导特性的聚合物膜需要从聚合物的结构上进一步的进行优化设计。

发明内容

本发明的目的是获得具有离子导通性能的微孔聚合物薄膜并应用于各类储能器件领域，聚合物分子链由于具有空间结构能够在聚集成膜时形成本征微孔，微孔的引入能够有效的改善聚合物薄膜的离子传输性能；同时，微孔能够有效阻隔水、各种气体及有机溶剂分子团簇，实现导通离子且阻隔溶剂的功能。

本发明的另一目的是提供一种具有离子导通性能的有机多孔聚合物的制备方法，该制备方法工艺简单、流程短、易于放大，制备的膜组分易于调节，该薄膜具有离子导通性能且同时对水、有机溶剂具有阻隔作用，并在各类储能器件中验证了其同时作为隔膜与离子传导膜的作用。