[发明专利]一种含金刚烷结构钒电池隔膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含金刚烷结构钒电池隔膜的制备方法，包括含金刚烷结构聚合型单体的制备、含金刚烷结构聚合型季铵盐的制备、共聚物的制备等步骤；本发明还公开了采用所述制备方法制备得到的一种含金刚烷结构钒电池隔膜；该发明公开的一种含金刚烷结构钒电池隔膜具有机械性能和化学稳定性优异、离子传导率高、阻钒性能强的优点。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种钒电池部件，尤其涉及一种含金刚烷结构钒电池隔膜及其制备方法。

背景技术

近年来，全球环境污染、化石燃料短缺和能源安全性仍然是制约经济发展和社会进步的重要问题，要实现可持续发展必须面临和解决这些问题，利用可再生能源发电是解决这些问题的途径之一，然而太阳能、风能、潮汐能等可再生能源的随机性和不稳定性使得它们的发展和应用受到限制。为保证风能、太阳能等可再生能源发电系统的稳定供电，必须开发高效、廉价、污染少和安全可靠的储能技术。在现有的储能技术中，液流储能电池由于具有循环寿命长、能量效率高、初次投资成本低、运行及维护费用低廉、环境友好、响应时间短及可深度放电等优点，受到了业内的瞩目。

在全钒液流电池的各组成部件中，电解质隔膜起到分隔正负极电解液，导通电池内部离子电流的作用，是最关键的材料之一。目前，钒电池领域中，常用的离子隔膜主要是杜邦公司的Nafion系列阳离子隔膜和旭硝子公司的Selemion系列阴离子隔膜。这些隔膜离子电导率高，寿命长，化学和电化学稳定性好，但是成本高，并且对钒离子的阻隔性能不好，影响电池的循环容量。而且，在我国目前还没有商业化生产的适合钒电池使用的离子隔膜，只能依赖进口。

中国发明专利201510131463.6公开了一种含金刚烷结构聚芳醚阴离子交换膜及其制备方法。涉及一种化工膜分离材料及其制备方法，该方法将含金刚烷结构聚芳醚进行卤甲基化改性，得到卤甲基化程度为10～200％的卤甲基化含金刚烷结构聚芳醚。将卤甲基化含金刚烷结构聚芳醚与含氮有机小分子进行胺化反应，引入阴离子交换基团，制备含金刚烷结构聚芳醚阴离子交换膜，所制备的含金刚烷结构聚芳醚阴离子交换膜具有高的离子传导性，优良的渗透选择性和化学稳定性，但是所公开的膜阳离子在苯环侧链上，由于苯环共轭作用，使得阳离子在强酸强碱条件下易从分子主链断键分离，从而影响膜的使用寿命和维持正常工作状态。另外，其膜分子主链采用含金刚烷结构聚芳醚价格较高，制备复杂。

因此，业内亟需一种价格更低廉、性能更优异的钒电池用隔膜。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种含金刚烷结构钒电池隔膜及其制备方法，该钒电池隔膜制备原料易得，价格低廉，制备方法简单易行，对设备要求不高。具有机械性能和化学稳定性优异、离子传导率高、阻钒性能强的优点。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种含金刚烷结构钒电池隔膜的制备方法，包括如下步骤：

1)含金刚烷结构聚合型单体的制备：将1,3-双(环氧乙烷基甲基)-5-(2-丙烯基)-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮溶于有机溶剂中，并向其中加入2-氨基金刚烷和碱催化剂，在室温下搅拌6-8小时，后30-40℃下旋蒸除去溶剂；

2)含金刚烷结构聚合型季铵盐的制备：将经过步骤1)制备得到含金刚烷结构聚合型单体溶于乙醚中，并向其中加入硫酸二甲酯和氯化铁，在80-90℃下搅拌反应10-12小时，后用水洗4-6次，并取有机相，然后在30-40℃下旋蒸除去溶剂；

3)共聚物的制备：将经过步骤2)制备得到的含金刚烷结构聚合型季铵盐、聚合型单体和乳化剂混合；

其中，步骤1)中所述1,3-双(环氧乙烷基甲基)-5-(2-丙烯基)-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、有机溶剂、2-氨基金刚烷、碱催化剂的质量比为(2-3):(8-12)：1：(0.5-0.8)；

所述有机溶剂选自二氯甲烷、异丙醇、乙醚、乙腈中的一种或几种；