[发明专利]一种液流电池用纳米纤维复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电化学储能领域，具体为一种液流电池用纳米纤维复合膜及其制备方法和应用。该复合膜包含一种具有良好离子电导率的三维全氟磺酸纳米纤维网络及一种具有良好离子选择性的非全氟聚合物基体，非全氟聚合物基体主要起离子选择作用，而其中内嵌的三维全氟磺酸纳米纤维网络则起离子传导作用。先采用静电纺丝法制备全氟磺酸纳米纤维，接着热压退火处理以提高导电网络的密度和交联程度，随后将全氟磺酸纳米纤维浸渍涂覆非全氟聚合物基体溶液，最后采用蒸发溶剂法，所制备的纳米纤维复合膜离子选择性强、质子电导率高、成本低廉，稳定性好以及易于工业放大，突破传统液流电池用全氟磺酸膜价格昂贵、离子选择性差的局限，适用于液流电池领域。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，具体为一种液流电池用纳米纤维复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

为了应对日益严重的能源危机以及由此引发的环境问题，开发可再生能源(如：风能、太阳能等)以及与之匹配的大规模储能技术迫在眉睫。凭借功率和容量独立设计，高效率和长寿命等优点，氧化还原液流电池(Redox flow battery,RFB)从一系列大规模储能技术中脱颖而出，极具应用前景。其中，由于均采用钒离子作为正、负极的活性物质，从根本上避免了电解液交叉污染的问题，科学工作者们对全钒液流电池(Vanadiumredoxflowbattery,VRFB)的研究更是广泛而深入。

隔膜是液流电池的重要组件，对电池的成本以及整体性能都有着重大影响。以全钒液流电池为例，由于高质子传导率和优异的化学稳定性，全氟磺酸膜在全钒液流电池中有着广泛应用。然而其较差的离子选择性，导致了严重的自放电现象，造成电池能量效率和容量损失。同时，其高昂的价格也令电池的成本难以削减，严重制约了全钒液流电池的商业化发展。因此，开发具有质子传导率高，离子选择性强，化学及机械稳定，同时价格低廉的电池隔膜已成为液流电池进一步发展的关键。

基于隔膜材料，目前已开发的隔膜可以分为离子型和非离子型，前者依靠离子交换官能团实现离子传导，而后者主要靠隔膜中的孔结构。大多数离子型高分子(如：SPEEK、SPI等)在强酸强氧化性环境下不稳定，严重影响了电池寿命，而由非离子型高分子制备的多孔膜制备复杂，技术尚不成熟。因而基于全氟磺酸膜本身的改性仍然是一个重要方向。而在改性过程中，如何提高全氟磺酸膜的离子选择透过性，保证较高的质子传导率及稳定性，从而进一步提高电池性能，降低成本，对全钒液流电池的商业化发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种液流电池用纳米纤维复合膜及其制备方法和应用，通过在非全氟聚合物基体中内嵌三维全氟磺酸纳米纤维，从而构成快速的氢离子导电网络，在保证该纳米纤维复合膜具有较高质子电导率的同时，进一步提高其离子选择性及尺寸稳定性，且降低价格高昂的的全氟磺酸用量。其制备工艺简单易控，制备成本降低，成品率高，易于工业放大。

本发明的技术方案是：

一种液流电池用纳米纤维复合膜，该复合膜包含一种具有良好离子电导率的三维全氟磺酸纳米纤维网络及一种具有良好离子选择性的非全氟聚合物基体，其中：非全氟聚合物基体主要起离子选择作用，而其中内嵌的三维全氟磺酸纳米纤维网络则起离子传导作用。

所述的液流电池用纳米纤维复合膜，非全氟聚合物基体原料选自下列材料中的一种或两种以上：离子型聚合物或非离子型聚合物，全氟磺酸为Nafion。

所述的液流电池用纳米纤维复合膜，离子型聚合物为磺化聚醚醚酮(SPEEK)、磺化聚酰亚胺(SPI)或磺化聚醚砜(SPES)，非离子型聚合物为聚苯并咪唑(PBI)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚丙烯腈(PAN)。

所述的液流电池用纳米纤维复合膜，三维全氟磺酸纳米纤维网络的质量占复合膜总质量的5～95wt％，非全氟聚合物基体的质量占复合膜总质量的5％～95wt％。

所述的液流电池用纳米纤维复合膜的制备方法，具体包括以下步骤：