[发明专利]一种长链多官能团聚乙烯醇阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种长链多官能团聚乙烯醇阴离子交换膜及其制备方法，属于锌‑空气电池聚电解质制备技术领域。本发明首先采用氯乙醛在对甲苯磺酸的催化作用下与聚乙烯醇反应为氯代聚乙烯醇，随后制备了长链多官能团离子液体。最后，在碘化钾的作用下将长链多官能团离子液体接枝到氯代聚乙烯醇上。由于膜材料具有长侧链的多官能团结构，增大了离子基团的含量，增强了基团的移动性，促进了膜中离子交换，增强了膜的保水性，从而延长电池的循环稳定性。该材料使电池具有良好性能，可作为聚电解质应用到锌‑空气电池中。

技术领域

本发明属于锌-空气电池聚电解质制备技术领域，涉及到一种长链多官能团聚乙烯醇阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

随着社会的快速发展，运输业、工业及生活用电需求不断增长，随之而来，煤炭、石油、天然气等化石能源的消耗速度逐渐加快。鉴于化石能源本身的限制，开发可持续能源(太阳能，风能等)以及研究相关的能量储存及转换的方案就显得尤为重要。锌-空气电池具有较高的能量密度，理论质量比能量可达1218 Wh/kg，原材料锌储量丰富、成本低，环境友好等优点，并且在运输和使用过程中不会产生爆炸等显著优点，被认为是最有应用前途的金属空气电池。

锌空气电池由空气阴极，电解液，锌阳极组成，阳极发生锌被氧化成锌离子或锌酸根离子的反应,阴极上吸附的氧气发生还原反应,电解液通常采用KOH溶液，而柔性锌-空气电池则采用固态电解质。固态电解质起到选择性传递氢氧根离子并且分隔两极室的作用。目前常用的凝胶聚电解质虽然具有良好的保水性及电池循环稳定性，但一般都是毫米级甚至是厘米级的厚度。且在低碱性浓度(2M)下离子电导率低(10^-4～10^-3 S cm^-1)；对于阴离子交换膜则很少应用，因其保水性并不如凝胶膜导致电池循环稳定性不佳。因此制备厚度薄、亲水保水性好、电池具有良好循环稳定性的阴离子交换膜具有重要意义。

发明内容

本发明旨在提高锌-空气聚电解质的亲水、保水能力，提供了一种长链多官能团聚乙烯醇阴离子交换膜的制备方法，具有良好的亲水、保水能力及电池循环稳定性。

本发明的技术方案：

本发明首先采用氯乙醛在对甲苯磺酸的催化作用下与聚乙烯醇反应为氯代聚乙烯醇，随后制备了多官能团离子液体。最后，在碘化钾的作用下将离子液体接枝到氯代聚乙烯醇上。长侧链的多官能团结构，增大了离子基团在聚合物中的含量，增强了基团的移动性，促进了膜中离子交换，增强了膜的保水性，可延长电池的循环稳定性。

一种长链多官能团聚乙烯醇阴离子交换膜，结构如下：

其中：x＝0.1～0.5，y＝0.5～0.9；n为3～6的正整数。

一种长链多官能团聚乙烯醇阴离子交换膜的制备方法，步骤如下：

(1)氯代聚乙烯醇的合成：将聚乙烯醇溶于溶剂A中，升温至80℃溶解后加入对甲苯磺酸，搅拌均匀后加入氯乙醛溶液，40～80℃保持温度恒定反应1～5h；将反应溶液到入沉淀剂A中，过滤、洗涤、干燥得到氯代聚乙烯醇；

所述聚乙烯醇分子量为7000-14000，氯乙醛溶液为含氯乙醛质量分数40％的水溶液。

所述氯乙醛与氯乙烯醇单元的摩尔比为1:1～4；

所述对甲苯磺酸与聚乙烯醇单元摩尔比为1:5～10；

所述的溶液A为DMSO、NMP、DMAC溶剂中的一种；

所述聚乙烯醇与溶剂A的w/v，g/ml比为2％～8％；

所述沉淀剂A为乙腈、丙酮中的一种；

(2)单官能团离子液体制备：