[发明专利]离子交换膜、其制造方法及包括其的能量存储装置

说明书

本发明涉及一种离子交换膜、该离子交换膜的制造方法以及包括该离子交换膜的能量存储系统。离子交换膜包括：包括多个孔的多孔支撑体；位于多孔支撑体的一个表面上的第一离子导电材料；以及位于多孔支撑体的另一个表面上的第二离子导电材料，其中，第一离子导电材料和第二离子导电材料是包括亲水性重复单元和疏水性重复单元的聚合物，并且第一离子导电材料和第二离子导电材料具有不同的、亲水性重复单元与疏水性重复单元的摩尔比。根据该离子交换膜，由于优异的离子导电性能以及降低的膜电阻而提高能量存储系统的性能效率和电压效率这两者，从而能够提高能量存储系统的总效率，并且通过具有优异的形态稳定性并降低钒离子的交叉，能够确保能量存储系统的耐久性。

技术领域

本发明涉及一种离子交换膜、该离子交换膜的制造方法以及包括该离子交换膜的能量存储系统，更具体地，涉及下面的离子交换膜、该离子交换膜的制造方法以及包括该离子交换膜的能量存储装置，该离子交换膜通过由于优异的离子导电性能和降低的膜电阻提高能量存储系统的性能效率和电压效率这两者从而能够提高能量存储系统的总效率，并且通过具有优异的形态稳定性并降低钒离子的交叉(crossover)来确保能量存储系统的耐久性。

背景技术

正在努力通过提高使用效率来节省化石燃料或将可再生能源应用于更多领域，从而解决化石燃料枯竭和环境污染的问题。

诸如太阳热和风力的可再生能源已经比以前被更高效地使用，但这些能源是间歇性的且不可预测的。由于这些特性，对这些能源的依赖受到限制，并且可再生能源相对于当前主要电源的比例非常低。

由于可充电电池提供简单和有效的蓄电方法，因此可再充电电池已被小型化以提高其便携移动性，并且不断致力于将可充电电池用作诸如间歇性辅助电源、笔记本电脑、平板电脑和移动电话的小型家用电器的电源。

在它们当中，氧化还原液流电池(RFB)是通过电解质的电化学可逆反应来重复充电和放电而能够长时间存储能量的二次电池。取决于电池的容量和输出特性的电池堆和电解液罐彼此独立，因而电池设计自由并且安装空间的限制少。

另外，氧化还原液流电池具有：安装在发电厂、电力系统和建筑物中以应对电力需求突然增加的负载均衡功能；补偿或者抑制电力故障或瞬时欠电压的功能等。氧化还原液流电池是根据需要能够自由组合的非常强大的存储技术，并且是适于大规模能量存储的系统。

氧化还原液流电池通常由两种分离的电解质组成。一种电解质在阳极反应中存储电活性物质，而另一种电解质用于阴极反应。在实际的氧化还原液流电池中，电解质反应在阴极和阳极之间是不同的，并且存在电解质溶液的流动现象，从而在阴极侧和阳极侧之间产生压力差。在作为代表性氧化还原液流电池的所有的钒基氧化还原液流电池中，阴极电解质和阳极电解质的反应分别在以下反应式1和反应式2中示出。

[反应式1]

[反应式2]

因此，为了克服两个电极之间的压力差并且即使反复充电和放电也表现出优异的电池性能，需要具有改善的物理和化学耐久性的离子交换膜。在氧化还原液流电池中，离子交换膜是占系统的约10％的核心材料。

因此，在氧化还原液流电池中，离子交换膜是用于确定电池的寿命和价格的主要部件。为了使氧化还原液流电池商品化，由于离子交换膜的离子选择性渗透率高而需要钒离子间的低交叉(crossover)，由于电阻低而需要高的离子电导率，并且除了机械稳定性和化学稳定性以及高耐久性之外还需要低价格。

同时，目前，商品化为离子交换膜的聚合物电解质膜已经使用了数十年并且已经被不断研究。近来，作为在直接甲醇燃料电池(DMFC)、聚合物电解质膜燃料电池(质子交换膜燃料电池，PEMFC)、氧化还原液流电池、水净化等中使用的、对离子进行传输的介质，对离子交换膜的许多研究已在积极进行。