[发明专利]一种水滑石原位生长复合膜及其制备方法与应用

说明书

本申请公开了一种水滑石原位生长复合膜及其制备方法与应用，属于碱性和中性基二次电池领域。所述水滑石原位生长复合膜包括离子传导膜基底和原位生长在所述离子传导膜上的水滑石层。通过有效控制水滑石合成条件及界面相互作用，可有效控制合成的水滑石层的分布均匀性，实现多孔离子传导膜精确地尺寸筛分和高效的离子传导性。此外，原位生长水滑石膜具有超强的耐碱稳定性和机械性能，实现了一类高性能、长寿命的碱性锌基液流电池，展现了良好的应用前景。

技术领域

本申请涉及碱性和中性基二次电池领域，具体涉及一种水滑石原位生长复合膜及其制备方法与应用。

背景技术

日益增长的能源消费，特别是煤炭、石油等化石燃料的大量使用对环境和全球气候所带来的影响使得人类可持续发展的目标面临严峻威胁。因此，对新能源和可再生能源的研究和开发，寻求提高能源利用率的先进方法，已成为全球共同关注的首要问题。储能技术是能源革命的关键支撑技术。液流电池是大规模储能领域一项极具前景的电池技术，其具有安全性高、输出功率和储能容量可独立设计、环境友好等优点。碱性锌铁液流电池普遍具有电解液成本低的优势，在大规模液流电池中具有较好的应用前景，其负极侧的锌盐或/和锌的氧化物在强碱中溶解后生成Zn(OH)₄^2-后在电极上发生沉积溶解的电化学反应，正极发生的是Fe(CN)₆^3-/Fe(CN)₆^4-的氧化还原反应，电池的开路电压可达1.77V，可常温、常压运行，安全性好，对环境无污染。

作为电池结构的核心部件-隔膜，其作用是平衡离子以完成电池内部通路以及阻挡活性物质穿梭(正电解质和负电解质)，膜的质子传导性、离子选择性和化学稳定性将直接影响电池的电化学性能和寿命，因此要求膜具有较低的活性物质渗透率(即高的离子选择性)和较低的面电阻(较高的离子传导性)。然而目前商业化的隔膜仍存在很大瓶颈，急需开发新型的多孔离子传导膜。

近年来，多孔离子交换膜，由于其具有可调的孔径尺寸和成本低的优势在液流电池中展开应用，但是相比于致密膜，多孔膜在碱性锌铁液流电池体系应用中存在由于选择性不佳带来电解液互串问题严重导致电池性能衰减明显的问题。对于多孔离子传导膜，其孔径越小，离子选择性越好，但是质子传导性就会降低，如何解决多孔离子传导膜的选择性和传导性之间的平衡成为一个关键的瓶颈技术。考虑到水滑石纳米材料可以进一步剥离成单层纳米片或化学改性以改善与聚合物膜的亲和力和相互作用，为设计下一代高性能隔膜提供了新的途径。

发明内容

根据本申请的第一方面，提供了一种水滑石原位生长复合膜，包括离子传导膜基底和原位生长在所述离子传导膜上的水滑石层。通过扫描电镜可看出水滑石在基膜孔内和基膜表面原位生长的形貌，其内部合适的层间距可有效阻挡活性物质的互串从而有利于提高隔膜的选择性，同时保持较好离子传导性，在碱性及中性基电池体系表现出很好的应用前景。

可选地，所述水滑石层厚度为1～2μm，层间距为0.6～0.8nm，所述复合膜总厚度为110～120μm。

可选地，所述离子传导膜选自含磺酸基的聚合物膜。

可选地，所述离子传导膜为磺化聚醚醚酮与以下至少一种聚合物的共混膜：

聚醚砜、聚砜或聚乙烯。

可选地，所述离子传导膜为聚醚砜和磺化聚醚醚酮的共混膜；其中，聚醚砜和磺化聚醚醚酮的质量比为1～4：1。

可选地，所述离子传导膜为多孔膜；所述离子传导膜孔径为0.3～70nm，孔隙率为30～60％。