[发明专利]一种适用于有机锂液流电池的液晶改性Nafion隔膜及制备方法

说明书

本发明涉及一种适用于有机锂液流电池的液晶改性Nafion隔膜Nafion/PVDF/C6M及制备方法。结合液晶材料的长程有序结构和Nafion的离子选择性，制备一种高离子选择性隔膜，并将Nafion/PVDF/C6M隔膜应用在有机锂液流电池中。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，使其具有Nafion锂离子选择性功能。再将Nafion和PVDF复合并加入一定量的离子液晶和AIBN，得到Nafion复合隔膜溶液。将复合隔膜溶液刮涂在玻璃板上，在60℃下离子液晶自聚合形成Nafion/PVDF/C6M复合隔膜。液晶长程有序结构提供Nafion传输锂离子的有序通道提高了隔膜的离子电导率和锂离子迁移数，LFP/NPC/Li电池的库伦效率高，循环稳定性长，是一种性能优异的有机锂液流电池隔膜。

【技术领域】

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

【背景技术】

隔膜是锂浆料液流电池的关键部件，基于锂浆料液流电池两极活性材料是有机电解液的浆料状态，在电池运作过程中，浆料不间断的流动冲刷隔膜，因此对隔膜的机械性能、耐化学稳定性及离子选择性要求相对较高。机械性能和耐化学稳定性确保电池在工作工程中的安全性，高的离子选择性提高电池的循环稳定性。隔膜在锂浆料液流电池中的功能主要体现在两个方面：一是提供浆料液流电池安全保障。隔膜材料首先必须具备良好的绝缘性和优异的机械性能，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。二是优异的电化学性能，高电导率和离子选择性能够提高锂浆料电池高倍率的循环稳定性。

PVDF等氟系聚合物具有好的机械强度、化学稳定性、电化学稳定性、热稳定性和对电解液良好的亲和性，同时PVDF聚合物链上含有很强的推电子基-CF₂，且PVDF的介电常数较高(ε＝8.4)，有利于促进锂盐更充分的溶解，增加载流子浓度。因此PVDF是制备凝胶电解质较理想的聚合物。

Nafion是一种优异的质子交换膜，具有良好的质子选择性，常被应用劝返液流电池和燃料电池中。通过预锂化处理，使Nafion隔膜提高锂离子选择性。借助离子液晶C6M长程有序结构，使隔膜内部Nafion分子结构排列有序，减短锂离子在隔膜中传输的路径。Nafion/PVDF/C6M复合隔膜电化学性能优异，具有良好的离子选择性，具有应用于锂浆料液流电池的潜能。

【发明内容】

本发明目的致力于推进适用于锂浆料液流电池隔膜的进展，锂浆料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，因此锂浆料液流电池对隔膜的整体性能要求很高。本发明通过利用离子液晶材料长程有序结构提高隔膜的机械性能及电化学性能，离子液晶在成膜过程中原位聚合形成有序通道，提供锂离子有序传输通道，显著提高隔膜的离子电导率。Nafion/PVDF/C6M复合隔膜整体性能优异，能够满足锂浆料液流电池对隔膜的性能需求。

本发明提供了一种适用于液流电池的液晶改性Nafion隔膜Nafion/PVDF/C6M的制备及在锂浆料半电池中的性能。

本发明提供的一种适用于液流电池的液晶改性Nafion隔膜Nafion/PVDF/C6M及制备方法，其特征在于：液晶聚合物长程有序结构提供Nafion有序的传输锂离子通道，提高隔膜的性能，具体步骤如下：

(1)Nafion溶液预锂化，其特征在于：将1～2M的LiOH水溶液加到5％Nafion溶液中至弱碱性，将弱碱性溶液烘干得到Nafion固体，用高沸点溶剂将得到的固体Nafion溶解配制成15～60％的Nafion溶液。