[发明专利]一种离子导电膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种离子导电膜及其制备方法，所述方法包括以下步骤：A1：将离子液体加入到磺化聚合物溶液中，制得铸膜液；A2：将铸膜液浇铸在平板上，然后干燥成复合膜；A3：将复合膜中的离子液体洗去，然后干燥，得到多孔膜。使用本发明的方法制备的复合多孔膜拥有非对称多孔结构，具有机械强度高、质子导电率高、离子选择性高的特点，可以实现离子的选择性分离。此外，本发明还具有制备工艺简单，经济高效等优点。

技术领域

本发明涉及一种简单、高效的离子导电膜及其制备方法，具体涉及一种具有离子选择功能的非对称多孔聚合物膜及其制备方法。

背景技术

液流电池是一种新型储能电池，利用不同离子间氧化还原反应，实现能量的储存和释放，具寿命长，效率高，容量易调控的特点。液流电池作为一种大规模的储能电池，可以广泛应用于新能源发电系统、电网调峰、离网供电等领域。

液流电池中，离子选择膜是电池的核心组件，在起到阻隔正负电极的活性物质的作用的同时，还需要给导电质子提供传输条件。离子选择膜的质子传导性、离子选择性和稳定性等性能对电池的寿命、性能和成本都有极大影响。因此要求膜具有较好的离子选择性（较低的活性离子渗透率和较好的质子导电性），较好的化学稳定性和机械强度，较低的成本。

目前，市场上主要使用的离子选择膜是美国Dupont公司Nafion系列的全氟磺酸膜，其在化学稳定性、强度和寿命方面有着优异的性能，但其有价格贵，且主要技术掌握在日、美等少数国家。所以，迫切需要开发低成本高性能的离子选择膜来满足液流电池的使用需求。

以全钒液流电池为例，电解液中的活性物质钒离子和导电质子都以水合离子的形式存在，钒离子半径明显大于质子半径，合适的孔结构可通过筛分机理使得导电质子穿过膜，并阻隔钒离子。同时多孔膜，具有选材宽泛，成本低，稳定性强的特点。所以纳米多孔膜可以作为全氟磺酸膜的一种良好替代品。

多孔膜的制备常用方法有相转化法、模板法和热致相分离法等。

在相转化法中，将连续相的高分子溶液或半干溶液放入非溶剂溶中，使得高分子聚合物在界面快速析出，在薄的致密层下方形成多孔结构，从而制备纳米多孔膜。相转化法相分离方法制备多孔膜在液流电池中有较多应用。Yuyue Zhao等（Advanced FunctionalMaterials, 2016, 26, 210–218）, Zhizhang Yuan等（Journal of Materials ChemistryA, 2017, 5, 6193–6199）,专利CN201410776155.4，CN201610530366.9，CN201510571868等均相继有所报导，利用相转化法作为膜的制备方法，或利用相转化法作为多孔膜制备过程中的一个步骤。

总结文献中已报道的相转化多孔膜的制备方法发现：

(1)在许多相转化多孔膜中，大孔侧多为指状孔，不具有离子选择性；在靠近膜表面会形成极薄的致密层，它起到一定离子选择性的作用，但其厚度极薄，受到挤压，拉伸等外力时易破损，从而导致膜功能的丧失；

(2)采用相转化方法制备多孔膜，其表面功能层（致密层）的厚度和离子选择性较难控制，且一致性较差。

(3)通过相转化方法得到的多孔膜，大多不便于实现离子导电率和选择性的调节。

在模板法中，常使用小分子物质作为致孔剂，在形成致密膜后，将小分子物质通过溶解，水解等方法去除或处理，形成多孔结构。Peng等（Rsc Adv . 2017,7(4):1852-1862）,专利CN201710360200，CN201910477091等均相继有所报导，利用模板法制备多孔离子选择膜。

总结文献中已报道的模板法多孔膜的制备方法发现：模板法成孔的孔径大小和孔隙率受造孔剂分子的大小、团聚以及和聚合物基体直接的相容性的影响，不便实现孔径和孔隙率的连续调控。