[发明专利]一种增强型钒电池用离子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池制造及能量存储领域，具体为一种增强型钒电池用离子交换膜及其制备方法。

背景技术

全钒氧化还原液流电池(钒电池)是利用不同价态的钒离子间的氧化还原反应进行能量储存与转化的二次能源系统。其特点是：无排放污染、容量可调、循环寿命长、可深度大电流密度放电、充电迅速、能量转化率高。钒电池作为储能电源主要应用在电站调峰、大规模光电转换、风能发电的储能电源以及作为边远地区储能系统，不间断电源或应急电源系统。

目前，全氟磺酸类离子交换膜是钒电池使用最多的膜材料，但该类材料的阻钒性能较差，影响了钒电池的使用周期及其在钒电池领域的应用。

发明内容

本发明针对以上问题，提出一种增强型的钒电池用的离子交换膜的制备方法，解决现有技术中全氟磺酸类隔膜阻钒性能低，影响钒电池的电池性能等问题。该方法工艺简单、处理条件缓和，阻钒性能提高明显。

本发明的技术方案为：

一种增强型钒电池用离子交换膜，各组分的重量百分比为：

全氟磺酸树脂            95-99；

纳米碳材料              1-5；

以上各组分重量之和满足100。

所述增强型钒电池用离子交换膜的制备方法，主要包括：纳米碳材料粉体的制备、活性分散液制备、成膜、干燥。通过水热法制备纳米碳材料，然后将所制备的含有含氧官能团(羧基或羟基等)的纳米碳材料分散于全氟磺酸树脂溶液中，通过浇注成型的方法，于烘箱中烘干成型，制备钒电池用离子交换膜材料，具体为：

(1)纳米碳材料粉体的制备：将一定量的葡萄糖溶解于去离子水中，形成葡萄糖水溶液；取一定量的葡萄糖水溶液放入反应釜中，进行水热处理，水热处理时间为3-10小时，温度为170-200℃。然后，对所得纳米碳材料粉体进行过滤、洗涤、干燥。

纳米碳材料作为活性添加剂，纳米碳材料粉体的粒度范围为100-300nm，葡萄糖为市售产品，葡萄糖水溶液的重量浓度为1-10％。

(2)活性分散液制备：取适量纳米碳材料粉体分散于全氟磺酸溶液中，超声、分散，分散时间为：0.5-2小时，分散液中纳米碳材料的重量百分比为1％-5％。

纳米碳材料的分散方法为超声或搅拌，超声时间为0.5-2小时，搅拌时间为1-24小时。

(3)成膜、干燥：将超声分散好的混合溶液浇注到平板玻璃板上(玻璃板实现调平)，其处理温度为100-150℃，时间为3-10小时。

本发明中，增强型离子交换膜的厚度范围为90微米-150微米。

本发明中，所使用的全氟磺酸溶液为全氟磺酸树脂按一定的比例溶于：N，N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜有机溶剂中，其中：全氟磺酸树脂为市售产品，全氟磺酸树脂占30-50g/L(优选为39.8g/L)。

本发明的优点：

1、本发明提出的增强型钒电池用离子交换膜的制备方法，利用表面含有官能团的纳米碳材料为活性物质，全氟磺酸树脂溶液为溶剂，通过超声、浇注、烘干，制备出性能优异的膜材料，制备工艺简易、条件温和、成本低廉。与现有的膜修饰及改性方法相比，所使用的活性纳米碳材料制备条件温和、可控，且可以大批量生产，也避免了使用强酸等氧化剂。

2、本发明提出的增强型钒电池用离子交换膜，物理性能及化学性能稳定，该膜材料在钒电池中使用，电化学活性好，性能稳定。用碳毡做电极，以该膜为隔膜，正、负电解液均为1.5M的硫酸氧钒和2M硫酸，组成电池后，电池电流效率、电压效率、能量效率均有明显提高。在25℃，70mA/cm²电流密度下，电流效率≥95％，电压效率≥80％，能量效率≥75％。

附图说明

图1为所制备的纳米碳材料的SEM图片。

图2为所制备的增强型离子交换膜的阻钒实验结果，其中纳米碳材料的重量分数为2％。

具体实施方式

实施例1

本实施例中，增强型钒电池用离子交换膜的制备方法如下：

(1)称取一定量的葡萄糖粉体溶于去离子水中，配置成重量浓度为5％的葡萄糖水溶液，然后取一定量的葡萄糖水溶液至于高压反应釜中，进行水热处理，200℃处理5小时，然后过滤、洗涤、干燥，制成纳米碳材料粉体；本实施例中，纳米碳材料粉体的粒度为200nm左右。

如图1所示，从纳米碳材料的SEM图片可以看出，所制备的纳米碳材料的粒度分布较为均匀，集中在200纳米左右。