[发明专利]一种芳香含氟离子聚合物膜材料、其合成方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种高导电的芳香含氟离子聚合物膜材料及其合成方法，可以应用于用于锂离子电池、燃料电池、液流电池、电渗析水处理和氯碱工业等多种领域中。

背景技术

进入二十一世纪以来，伴随着社会经济飞速发展，能源作为最基本的动力源得到了更加广泛的应用与需求。锂离子电池以其比能量高、无记忆效应、储电量大、体积小、长循环寿命等优点成为新型电源技术研究的热点，在航空、航天、航海、通讯及电子产品领域得到广泛应用。

电池的发展取决于电池材料的发展。隔膜是电池中一个重要的不可缺少的组件，被称为电池的“第三电极”，在锂离子电池中主要起两个重要的作用：第一，隔开锂离子电池的正极和负极，防止正负极接触形成短路；第二，隔膜中的微孔形成离子导电通道，能够让锂离子通过，形成充放电回路。隔膜的性能直接影响着电池的放电容量、循环使用寿命以及安全性能等特性。

锂离子电池隔膜要形成快捷的离子导电通道目前主要存在三种方法：(1)液态的锂盐电解质溶液吸附在具有微孔结构的聚丙烯或者聚乙烯薄膜中；(2)锂盐电解质溶液与具有离子传输性能的聚合物体系（如PEO、PVDF-HFP等）充分浸润形成凝胶的全固态凝胶聚合物离子导电通道；（3）聚合物的主侧链上连接强极型基团，相分离成连续的离子通道，如Nafion基全氟磺酸离子交换膜。然而，这些方法均存在待于提高之处，如方法（1）离子导电率高，被广泛应用，但是锂离子电池中的液态电解质有可能泄漏而存在安全隐患；方法（2）虽然克服了液态电解质的漏液问题，但是机械性能差；方法（3）的材料有良好的安全性和机械性能，但是成本高、离子导电率低。

现在，世界上只有日本、美国等少数几个国家拥有锂离子电池聚合物隔膜的生产技术和相应的规模化产业。我国在锂离子电池隔膜的研究与开发方面起步较晚，锂离子电池隔膜主要仍然依赖进口，导致市场价格高居不下，因此我国每年都要花费巨额资金进口锂离子电池的隔膜材料。

目前，锂离子电池隔膜材料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）单层微孔膜，以及由PP和PE复合的多层微孔膜。虽然其机械性能好而且能有效地防止正负极之间短路，但是由于隔膜中微孔的孔径小、孔隙率低，因而导致吸液量低，限制了锂离子的迁移率，不利于锂离子电池的大电流放电。公开号为CN102336923A的中国专利申请公开了一种侧链含氟磺酸芳香族聚合物离子交换膜，该离子交换膜成本低、工艺简单、处理效果好，易于实现市场化。公开号为CN102110823A和CN101057357A的专利申请也分别提出了聚芳香族类聚合物和芳香族烃类聚合物作为离子交换膜的研究。

除了锂离子电池外，高导电的离子隔膜材料还能应用于燃料电池、液流电池、电渗析水处理（如工业用水及苦水脱盐、纯水制备等）、渗透汽化、气体分离、扩散渗析（如回收废酸、废碱等）、化工轻工及医药行业的产品浓缩、提取和精制、原子能工业及分析、催化合成和氯碱工业中。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述技术现状，提供一种聚合物膜材料，其具有化学稳定性好、离子电导率高、机械性能好等优点，可以作为一种隔膜材料而应用于锂离子电池、燃料电池、液流电池、电渗析水处理、渗透汽化、气体分离、扩散渗析等领域。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种芳香含氟离子聚合物膜材料，其主链结构中芳香苯环与含氟磺酰胺相连，具体分子式是-[Ar-N(M)-SO₂-R_f-SO₂-N(M)]_n-，其中-Ar-指代芳香基团，R_f指代-C_nF_2n-或者-[CF₂CF₂]_nOCF₂CF₂-，n是1到40的整数，包括1与40，M指代H或者金属元素。

本发明一种芳香含氟离子聚合物膜材料的合成方法包括如下步骤：

步骤1：合成活性中间体：含氟双端基磺酰氯，其分子式是ClSO₂RfSO₂Cl，R_f指代-C_nF_2n-或者-[CF₂CF₂]_nOCF₂CF₂-，n为1到40的整数，包括1与40；