一種液流電池隔膜及其制備方法
【專利摘要】一種液流電池隔膜及其制備方法，屬于高分子復(fù)合材料領(lǐng)域。包括以下步驟：首先，清洗平板玻璃后晾干，放置在加熱裝置上并調(diào)平；其次，清洗有機(jī)多孔膜并瀝干，將瀝干的有機(jī)多孔膜浸潤在乙醇與高沸點(diǎn)溶劑形成的混合液中；將上一步驟中浸潤好的有機(jī)多孔膜平鋪在第一步中調(diào)平的平板玻璃上；繼而，將全氟磺酸離子交換樹脂溶液涂覆于在機(jī)多孔膜的一定區(qū)域的表面上；最后，開啟加熱裝置，干燥成型后冷卻至室溫，得到液流電池隔膜。由于將力學(xué)性能、透氣性能優(yōu)良的有機(jī)多孔膜作為基膜，只在需要進(jìn)行離子交換的地方涂覆有全氟磺酸離子交換膜，因此能夠在保證液流電池使用性能良好的同時(shí)有效降低了隔膜成本，進(jìn)而降低液流電池成本，適用于現(xiàn)有液流電池。
【專利說明】一種液流電池隔膜及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高分子復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種液流電池隔膜及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]液流儲(chǔ)能電池是一種新的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，與其它儲(chǔ)能技術(shù)相比，其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、蓄電容量大、選址自由、可深度放電、安全環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電儲(chǔ)能、應(yīng)急電源系統(tǒng)、備用電站和電力系統(tǒng)削峰填谷等方面。全鑰;液流儲(chǔ)能電池(Vanadium Flow Battery, VFB)由于安全性高、穩(wěn)定性好、效率高、壽命長(壽命>15年)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的首選之一。VFB是將不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在各自的電解液儲(chǔ)罐中，通過外接泵把電解液泵入電池堆體內(nèi)，使其在不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)，采用離子交換膜作為電池組的隔膜，以覆蓋液流電池雙電極石墨氈，抑制正負(fù)極電解液中不同價(jià)態(tài)的釩離子的交叉混合，而不阻礙氫離子通過隔膜，傳遞電荷；電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流，使儲(chǔ)存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。這個(gè)可逆的反應(yīng)過程使釩電池可順利完成充電、放電和再充電。
[0003]隔膜是全釩液流儲(chǔ)能電池中的重要組成部分，其作用為阻隔正、負(fù)極電解液，提供質(zhì)子傳輸通道。隔膜的離子傳導(dǎo)性、化學(xué)穩(wěn)定性和離子選擇性等性能直接影響電池的電化學(xué)性能和使用壽命，因此就要求隔膜具有較高的離子選擇性和較低的面電阻，即有較高的離子傳導(dǎo)率，同時(shí)還應(yīng)具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的成本。
[0004]目前，技術(shù)人員開發(fā)和使用的液流儲(chǔ)能電池隔膜，大部分為由非氟離子交換樹脂制備而成的致密膜。但絕大多數(shù)非氟離子交換膜(如磺化聚醚醚酮、磺化聚酰亞胺、磺化聚砜等)在全釩液流儲(chǔ)能電池中的氧化穩(wěn)定性均不佳?，F(xiàn)在國內(nèi)外使用的隔膜材料主要是全氟磺酸離子交換膜，最有代表性的是美國杜邦公司開發(fā)的Naf1n膜，Naf1n膜具有優(yōu)異的離子傳導(dǎo)性和化學(xué)穩(wěn)定性，但其為含氟的化合物，其合成需要經(jīng)歷繁瑣的合成步驟且涉及到高毒性氟單體，膜的價(jià)格昂貴，間接使得釩液流電池成本居高不下，且電學(xué)性能和機(jī)械性能相矛盾，常常出現(xiàn)釩離子滲透及透水現(xiàn)象，限制了全氟磺酸膜在釩液流電池工業(yè)化的發(fā)展。因此亟需一種性能優(yōu)良且成本低廉的液流電池隔膜及其制備方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有液流電池隔膜成本高昂的缺點(diǎn)，提供一種液流電池隔膜及其制備方法，該隔膜性能良好且成本低廉。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種液流電池隔膜，包括有機(jī)多孔膜，在有機(jī)多孔膜的一定區(qū)域的表面及該區(qū)域的孔洞中涂覆有全氟磺酸離子交換樹脂。
[0007]具體的，所述一定區(qū)域?yàn)橹虚g區(qū)域，涂覆有全氟磺酸離子交換樹脂的區(qū)域?yàn)殡x子交換區(qū)，離子交換區(qū)的面積至少與液流電池的雙電極石墨氈相等。
[0008]進(jìn)一步的，所述有機(jī)多孔膜的材質(zhì)為聚砜、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚芳醚酮、聚醚砜或聚醚酰亞胺。
[0009]具體的，所述有機(jī)多孔膜為單層多孔膜或多層多孔復(fù)合膜，所述有機(jī)多孔膜的層數(shù)為單層或多層。
[0010]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是:一種液流電池隔膜的制備方法，包括以下步驟:
[0011]A.清洗平板玻璃后晾干，放置在加熱裝置上并調(diào)平；
[0012]B.清洗有機(jī)多孔膜并浙干，將浙干的有機(jī)多孔膜浸潤在乙醇與高沸點(diǎn)溶劑形成的混合液中；
[0013]C.將步驟B中浸潤好的有機(jī)多孔膜平鋪在步驟A中調(diào)平的平板玻璃上；
[0014]D.將全氟磺酸離子交換樹脂溶液涂覆于有機(jī)多孔膜的一定區(qū)域的表面上；
[0015]E.開啟加熱裝置，干燥成型后冷卻至室溫，完成液流電池隔膜的制備。
[0016]具體的，步驟A具體為利用水將平板玻璃清洗干凈后放入乙醇或丙酮中浸泡2?8h，然后用去離子水將其清洗干凈并晾干，進(jìn)而將平板玻璃置于加熱裝置上并進(jìn)行調(diào)平。
[0017]進(jìn)一步的，步驟B具體包括:
[0018]B1.用去離子水清洗有機(jī)多孔膜，而后將其浸入乙醇或丙酮中浸泡2?8h，并取出浙干；
[0019]B2.將步驟BI中浙干的有機(jī)多孔膜浸于乙醇與高沸點(diǎn)溶劑形成的混合液中浸泡2?8h，混合液中乙醇與高沸點(diǎn)溶劑的比例為(O?9): (10?I)。
[0020]具體的，步驟D中的一定區(qū)域?yàn)橹虚g區(qū)域，涂覆有全氟磺酸離子交換膜的區(qū)域?yàn)樾纬呻x子交換區(qū)，離子交換區(qū)的面積至少與液流電池的雙電極石墨氈相等。
[0021]具體的，全氟磺酸離子交換樹脂溶液所用的有機(jī)溶劑為為高沸點(diǎn)溶劑，所述全氟磺酸離子交換樹脂溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8?30%，每平方厘米有機(jī)多孔膜所需的全氟磺酸離子交換樹脂溶液體積至少為0.1ml0
[0022]優(yōu)選的，步驟E具體為開啟加熱裝置，在60?250°C的溫度下干燥4?8h，冷卻至室溫，完成液流電池隔膜的制備。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:由于將力學(xué)性能、透氣性能優(yōu)良的有機(jī)多孔膜作為基膜，只在需要進(jìn)行離子交換的地方涂覆有全氟磺酸離子交換膜，因此能夠在保證液流電池使用性能良好的同時(shí)有效降低了隔膜成本，進(jìn)而降低液流電池成本，適用于現(xiàn)有液流電池。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的一種液流電池隔膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明一種液流電池隔膜的制備流程圖；
[0026]其中，I為有機(jī)多孔膜，2為全氟磺酸離子交換樹脂。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的一種液流電池隔膜，包括有機(jī)多孔膜1，所述有機(jī)多孔膜I的中間區(qū)域的表面及該區(qū)域的孔洞中涂覆有全氟磺酸離子交換樹脂形成的薄膜從而形成離子交換區(qū)，離子交換區(qū)的面積至少與液流電池的雙電極石墨氈相等；有機(jī)多孔膜I上未涂覆有全氟磺酸離子交換樹脂的區(qū)域?yàn)榉请x子交換區(qū)，即非離子交換區(qū)位于離子交換區(qū)的四周。
[0029]離子交換區(qū)的面積至少與液流電池的雙電極石墨氈相等，只要在使用時(shí)離子交換區(qū)能夠有效覆蓋液流電池的雙電極石墨氈即可。
[0030]優(yōu)選的，有機(jī)多孔膜為聚砜、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚芳醚酮、聚醚砜或聚醚酰亞胺材質(zhì)的多孔膜。該類膜的力學(xué)性能良好，透氣性能優(yōu)良，便于獲得，易于使用。所述有機(jī)多孔膜的層數(shù)為單層或多層，也可以為單層多孔膜或多層多孔復(fù)合膜。
[0031]制備上述液流電池隔膜的方法包括以下步驟，其流程如圖2所示:
[0032]1.用清水將平板玻璃清洗干凈后浸入乙醇或丙酮中浸泡2?8h，然后用去離子水將其清洗干凈并晾干，放置在加熱裝置上并進(jìn)行調(diào)平，使玻璃表面處于水平狀態(tài)，加熱裝置可以選擇電加熱板或其他加熱設(shè)備；
[0033]2.用去離子水清洗有機(jī)多孔膜，之后將其浸入乙醇或丙酮中浸泡2?8h，并取出浙干，而后再有機(jī)多孔膜浸潤于乙醇與高沸點(diǎn)溶劑形成的混合液中浸泡2?8h，混合液中乙醇與高沸點(diǎn)溶劑的比例為(O?9): (10?I)，所述高沸點(diǎn)溶劑為N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二丙二醇二甲醚等，此具體方式中選擇乙醇與N-甲基吡咯烷酮(NMP)形成的混合液；
[0034]3.取出上一步驟浸潤好的有機(jī)多孔膜，并并將其平鋪在步驟I中已調(diào)平的平板玻璃上；
[0035]4.采用澆鑄、流延或噴涂工藝將全氟磺酸離子交換樹脂溶液涂覆有機(jī)多孔膜的中間區(qū)域的表面，涂覆有全氟磺酸離子交換膜的區(qū)域?yàn)殡x子交換區(qū)，離子交換區(qū)的面積至少與液流電池的雙電極石墨氈相等；
[0036]所使用的全氟磺酸離子交換樹脂溶液所用的有機(jī)溶劑為高沸點(diǎn)溶劑，具體為:N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二丙二醇二甲醚，所述全氟磺酸離子交換樹脂溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8?30%，每平方厘米有機(jī)多孔膜所需的全氟磺酸離子交換樹脂溶液體積至少為0.1ml0
[0037]5.開啟電加熱板，在60?250°C的溫度下干燥4?8h，冷卻至室溫，制備得到液流電池隔膜。
【權(quán)利要求】
1.一種液流電池隔膜，其特征在于，包括有機(jī)多孔膜，在有機(jī)多孔膜的一定區(qū)域的表面及該區(qū)域的孔洞中涂覆有全氟磺酸離子交換樹脂。
2.如權(quán)利要求1所述的一種液流電池隔膜，其特征在于，所述一定區(qū)域?yàn)橹虚g區(qū)域，涂覆有全氟磺酸離子交換樹脂的區(qū)域?yàn)殡x子交換區(qū)，離子交換區(qū)的面積至少與液流電池的雙電極石墨租相等。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種液流電池隔膜，其特征在于，所述有機(jī)多孔膜的材質(zhì)為聚砜、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚芳醚酮、聚醚砜或聚醚酰亞胺。
4.如權(quán)利要求3所述的一種液流電池隔膜，其特征在于，所述有機(jī)多孔膜為單層多孔膜或多層多孔復(fù)合膜，所述有機(jī)多孔膜的層數(shù)為單層或多層。
5.一種液流電池隔膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: A.清洗平板玻璃后晾干，放置在加熱裝置上并調(diào)平； B.清洗有機(jī)多孔膜并浙干，將浙干的有機(jī)多孔膜浸潤在乙醇與高沸點(diǎn)溶劑形成的混合液中； C.將步驟B中浸潤好的有機(jī)多孔膜平鋪在步驟A中調(diào)平的平板玻璃上； D.將全氟磺酸離子交換樹脂溶液涂覆于有機(jī)多孔膜的一定區(qū)域的表面上； E.開啟加熱裝置，干燥成型后冷卻至室溫，完成液流電池隔膜的制備。
6.如權(quán)利要求5所述的一種液流電池隔膜的制備方法，其特征在于，步驟A具體為用清水將平板玻璃清洗干凈后放入乙醇或丙酮中浸泡2?8h，然后用去離子水將其清洗干凈并晾干，進(jìn)而將平板玻璃置于加熱裝置上并進(jìn)行調(diào)平。
7.如權(quán)利要求5所述的一種液流電池隔膜的制備方法，其特征在于，步驟B具體包括: B1.用去離子水清洗有機(jī)多孔膜，而后將其浸入乙醇或丙酮中浸泡2?8h，并取出浙干; B2.將步驟BI中浙干的有機(jī)多孔膜浸于乙醇與高沸點(diǎn)溶劑形成的混合液中浸泡2?8h，混合液中乙醇與高沸點(diǎn)溶劑的比例為(O?9): (10?I)。
8.如權(quán)利要求5或6或7所述的一種液流電池隔膜的制備方法，其特征在于，步驟D中的一定區(qū)域?yàn)橹虚g區(qū)域，涂覆有全氟磺酸離子交換膜的區(qū)域?yàn)殡x子交換區(qū)，離子交換區(qū)的面積至少與液流電池的雙電極石墨氈相等。
9.如權(quán)利要求8所述的一種液流電池隔膜的制備方法，其特征在于，全氟磺酸離子交換樹脂溶液所用的有機(jī)溶劑為為高沸點(diǎn)溶劑，所述全氟磺酸離子交換樹脂溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8?30%，每平方厘米有機(jī)多孔膜所需的全氟磺酸離子交換樹脂溶液體積至少為0.1ml0
10.如權(quán)利要求9所述的一種液流電池隔膜的制備方法，其特征在于，步驟E具體為開啟加熱裝置，在60?250°C的溫度下干燥4?8h，冷卻至室溫，完成液流電池隔膜的制備。
【文檔編號(hào)】H01M2/18GK104269511SQ201410521981
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】曹素嬌, 李林德, 李君 , 何芃 申請(qǐng)人:成都贏創(chuàng)科技有限公司