[发明专利]共价交联型多氟磺化聚酰亚胺质子交换膜的制备及应用

说明书

本发明公开了一种共价交联型多氟磺化聚酰亚胺质子交换膜的制备及应用，包括：制备4,4'‑(1,1'双(4‑氨基苯氧基))八氟联苯，采用4,4'‑(1,1'双(4‑氨基苯氧基))八氟联苯为原料，通过缩聚反应制备三乙胺型羟基功能化的多氟磺化聚酰亚胺聚合物；再将三乙胺型羟基功能化的多氟磺化聚酰亚胺聚合物溶于二甲亚砜中，并加入交联剂聚丙烯酸和催化剂4‑二甲氨基吡啶反应；反应结束后流延成膜，制得三乙胺共价交联型多氟磺化聚酰亚胺质子交换膜；将三乙胺共价交联型多氟磺化聚酰亚胺质子交换膜置于洗涤剂中洗涤以及酸化后，得到共价交联型多氟磺化聚酰亚胺质子交换膜；本发明制备的共价交联型多氟磺化聚酰亚胺质子交换膜性能良好，适用于全钒氧化还原液流电池。

技术领域

本发明属于电池隔膜领域，尤其涉及一种共价交联型多氟磺化聚酰亚胺质子交换膜的制备方法和应用。

背景技术

传统化石能源的紧缺及其大量使用所带来的环境污染问题已成为制约国家经济持续发展和阻碍人民生活水平提高的主要瓶颈之一。因此，新型可再生能源的开发与利用已得到国家的高度重视。但是，新型可再生能源发电过程易受发电时间、昼夜、季节等因素的影响，具有明显的不连续、不稳定性。配备高效储能装置是解决新型可再生能源发电所存在问题的重要途径之一。

全钒氧化还原液流电池是一种环境友好的大型储能装置，且具有易操作和维护、容量和功率可调和大电流无损深度放电等优点。基于此，全钒氧化还原液流电池能有效提高对新型可再生能源发电的接纳能力和能源利用率，从而解决新型可再生能源发电非稳态、电力系统供需矛盾突出等问题，并保证高效智能电网稳定运行。此外，我国钒产量占到全球产量的48%，这为发展全钒氧化还原液流电池储能产业创造了得天独厚的条件。

隔膜作为全钒氧化还原液流电池的关键组件材料之一，其功能主要包括以下两方面：（1）阻止正负极电解液中不同价态钒离子的交叉渗透，从而避免电池内部短路，抑制电池自放电现象，提高电池效率，并延长电池使用寿命；（2）构建电池内部电荷载体离子通道，允许平衡电荷的质子等特定离子通过以实现电流传输，使电池形成一个完整的闭合回路，并保证两极之间的电荷平衡。因此，隔膜的质子传导能力、阻钒性能、化学稳定性等性能直接影响着电池的效率、运行稳定性及寿命，进而影响全钒氧化还原液流电池系统的技术经济性。目前，在全钒氧化还原液流电池中应用最为广泛的隔膜是具有较高的质子传导率和优异的化学稳定性的全氟磺酸基隔膜材料，如：美国杜邦公司生产的Nafion系列膜。但Nafion膜高的钒离子渗透率、昂贵的价格以及低的质子选择性都极大地限制了其在全钒氧化还原液流电池中的大规模商业应用。因此，亟待开发可替代Nafion膜的新型隔膜材料。

磺化芳香性高分子隔膜因具有低钒离子渗透率、优异质子选择性、良好成膜性与机械强度等优势，受到了众多学者的关注。目前，一系列磺化芳香性高分子隔膜材料已被研究者设计和制备，并尝试应用于全钒氧化还原液流电池，例如：磺化聚醚醚酮膜、磺化聚苯并咪唑膜、磺化聚芳醚砜膜和磺化聚酰亚胺膜等。其中，使用磺化聚酰亚胺膜的全钒氧化还原液流电池展现出高的库仑效率和缓慢的自放电速率，表明其在全钒氧化还原液流电池中具有一定的应用潜力。但是，磺化聚酰亚胺膜在全钒氧化还原液流电池中的研究目前仍然是初步的，在全钒氧化还原液流电池的强酸强氧化性电解液环境中，磺化聚酰亚胺膜的化学稳定性依然较弱，严重影响其在电池中的使用寿命。近年来，研究者针对全钒氧化还原液流电池用磺化聚酰亚胺膜存在的问题开展了广泛的研究。