[发明专利]一种三明治结构的有机锂离子液流电池隔膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种三明治结构的有机锂离子液流电池隔膜PP/Nafion‑PVDF/PP及制备方法。通过结合商业锂电隔膜优异的机械性能和Nafion隔膜的离子选择性，制备PP/Nafion‑PVDF/PP三明治结构隔膜并将其应用在有机锂离子液流电池中的应用。其中改性Nafion作为中间层，首先将Nafion溶液进行预锂化、烘干和再溶处理，得到Nafion的有机溶液，再将Nafion和PVDF复合并加入少量的离子液体，得到改性Nafion溶液。利用刮涂法将改性Nafion溶液涂敷在商业PP隔膜表面，再覆盖一层商业PP隔膜制备三明治结构隔膜。三明治结构隔膜具有商业隔膜的机械性能和改性Nafion的离子选择性，库伦效率高，是一种优异的有机锂离子液流电池隔膜。

【技术领域】

本发明属于有机锂离子液流电池隔膜用领域，具体涉及适用于有机锂离子液流电池的隔膜、制备方法及性能。

【背景技术】

隔膜是锂液流电池的重要组成部分，它位于电池内部正负极之间，保证锂离子通过的同时，阻碍电子传输。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。隔膜在锂液流电池中的功能主要体现在两个方面：一是给电池提供安全保障。隔膜材料首先必须具备良好的绝缘性，以防止正负极接触短路或是被毛刺、颗粒、枝晶刺穿而出现的短路，因此，隔膜需要具有一定的拉伸、穿刺强度，不易撕裂，并在突发的高温条件下基本保持尺寸的稳定，不会熔缩导致电池的大面积短路和热失控。二是给锂离子电池提供实现充放电功能、倍率性能的离子电导性。因此，隔膜必须是具有较高离子电导率。

锂液流电池对隔膜的要求包括：(1)具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；(2)低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的选择透过性；(3)耐电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性；(4)具有良好的电解液的浸润性，并且吸液保湿能力强；(5)力学稳定性高，包括穿刺强度、拉伸强度等；(6)空间稳定性和平整性好；(7)热稳定性和自动关断保护性能好；(8)受热收缩率小，否则会引起短路，引发电池热失控。除此之外，锂液流电池运行中两级浆料处于流动状态，因此对隔膜的锂离子选择透过性和机械性能要求更高。

不带电的聚偏氟乙烯(PVDF)和全氟磺酸聚合物，如杜邦的Nafion，作为隔膜材料广泛应用于能量转换和存储设备等(如锂离子电池、氧化还原液流电池和氢/空气燃料电池)。由于PVDF的压电性能，使得PVDF在机电系统(如应变计，传感器和执行器)中也得到了广泛的研究。Nafion分子中含有的亲水性和疏水性基团，导致Nafion是一种高质子电导率和具有高离子选择性的隔膜。混合Nafion/PVDF隔膜可用作燃料电池、氧化还原液流电池和全钒氧化还原电池(VRFBs)的渗透选择性质子导电膜(PEM)。

Nafion/PVDF复合隔膜是一种优异的离子选择性隔膜，可以将其应用在有机锂离子液流电池中。本发明通过结合商业PP隔膜优异的机械性能和Nafion/PVDF的离子选择性能，制备一种PP/Nafion-PVDF/PP三明治结构隔膜。三明治结构隔膜表层PP起到支撑隔膜和保护Nafion/PVDF的作用，中间层Nafion/PVDF起到了离子选择性通过的作用，有效的降低了两极浆料活性物质的互混。

【发明内容】

本发明目的致力于推进适用于有机锂离子液流电池隔膜的进展，有机锂离子液流电池不同于其他液流电池体系，两极浆料黏稠度远大于全钒液流电池，对隔膜的机械性能要求更加严格，并且两极浆料体系为有机体系，对隔膜的化学稳定性要求更高。两极活性物质互混现象的存在将导致电池性能的降低，因此有机锂离子液流电池对隔膜的整体性能要求很高，本发明通过结合商业隔膜良好的机械性能和Nafion隔膜的离子选择性制备了三明治结构隔膜PP/Nafion-PVDF/PP，结合各层隔膜的优点以达到适用于有机锂离子液流电池的要求。

本发明提供了一种适用于有机锂离子液流电池的三明治结构隔膜PP/Nafion-PVDF/PP的制备及在锂浆料半电池中的性能。