CN107591545A - 一种共混多孔膜在液流电池中的应用 - Google Patents

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李先锋
张华民
孙佳伟
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Abstract

本发明涉及一种共混多孔膜在液流电池中的应用，所述聚醚砜和增韧材料制成的共混多孔膜；增韧材料为聚砜、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇中的一种或两种以上。本发明的共混多孔膜成本低、效率高、稳定性好；制膜工艺简单可控，适于大规模生产；提高了传统聚醚砜多孔膜的韧性；可根据液流电池的需要，调节孔径分布和孔结构；本发明拓宽了液流电池多孔膜的适用范围。

Description

一种共混多孔膜在液流电池中的应用
技术领域
本发明提供一种共混多孔膜在液流电池中的应用，特别涉及其在全钒液流电池领域中的应用。
背景技术
今年来，随着非可再生能源的急剧短缺，并且环境污染问题日益恶化。因此可再生清洁能源的使用已经迫在眉睫，可是风能、太阳能等可再生能源发电受季节、气象和地域条件的影响，具有明显的不连续、不稳定性。发出的电力波动较大，可调节性差。进而将可能对电网产生较大冲击。因此，随着风能、太阳能等可再生能源和智能电网产业的迅速崛起，储能技术成为万众瞩目的焦点。大规模储能技术被认为是支撑可再生能源普及的战略性技术，得到各国政府和企业界的高度关注。
储能技术包括物理储能和化学储能两大类。物理储能包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等。化学储能主要包括铅酸电池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池等。然而各种储能技术都有其适宜的应用领域，适合大规模储能的化学储能技术主要包括液流电池、钠硫电池、铅酸电池、锂离子电池。综合考虑各种储能技术的优缺点，液流电池储能技术受到了更为广泛地关注。
在液流电池中，隔膜是电池的重要组成部分，在电池成本中所占比例较高。因此，开发成本低、性能高且稳定性好的电池隔膜，是降低电池成本、提升电池性能的重要途径之一。
聚醚砜(简称PES)凭借其自身的多种优点，被作为基本原料广泛应用在液流电池隔膜的制备中。以PES为基本原料制备的隔膜具有成本低、性能高且稳定性好等优点。但是以PES为基本原料制备的隔膜韧性较差，组装大功率电堆时困难增加，这一弱点限制其在液流电池中的大规模应用。
因此提高以PES为基本原料制备的隔膜韧性的工作受到了一定的关注。
发明内容
本发明的目的是提高以PES为基本原料制备多孔膜的韧性，进而使其满足在大规模液流电池中的使用需求。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种共混多孔膜在液流电池中的应用，所述聚醚砜和增韧材料制成的共混多孔膜；
增韧材料为聚砜、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇中的一种或两种以上。
聚醚砜和增韧材料的质量比为(10-40)：(1-50)。
所述的多孔膜的厚度为20-100μm。
所述共混多孔膜按以下方法制备：
1)将聚醚砜与增韧材料溶于有机溶剂中，在温度为10-40℃之间搅拌10小时以上，得到共混溶液；
2)将造孔剂加入步骤1)已配置好的溶液中，在温度为10-40℃之间搅拌10小时以上，得到混合共混溶液；混合共混溶液中聚醚砜的质量浓度为10-40％之间，增韧材料的质量浓度为1-50％之间，造孔剂的质量浓度为10-30％之间；
3)将混合溶液涂布于平板上，采用溶剂挥发法制备成膜，温度30-60℃，挥发时间不少于10分钟；所述的多孔膜的厚度为20-100μm；
4)将步骤3)成膜后的膜浸泡于水中，温度10-80℃，时间5h以上，经过水相转化处理得到所需多孔膜。
所述有机溶剂为DMSO、DMAC、NMP、DMF中的一种或两种以上。
造孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚二烯丙基二甲基氯化铵中的一种或两种以上。
本发明的有益结果：
1、本发明所制多孔膜成本低、效率高、稳定性好；聚醚砜是综合性能最佳的聚合物之一，PES耐化学药品性良好，在酸、碱环境下稳定，电性能优良。聚偏氟乙烯耐腐性性好，机械强度高，韧性好。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚二烯丙基二甲基氯化铵具有很好的溶解性，极易溶解于水和大部分有机溶剂，在多孔膜制备中具有很好的造孔功能，这也为多孔膜的制备提供了发挥了积极的作用。
2、本发明制膜工艺简单可控，适于大规模生产；
3、本发明提高了传统聚醚砜多孔膜的韧性；
4、可根据液流电池的需要，调节孔径分布和孔结构；
5、本发明拓宽了液流电池多孔膜的适用范围。
具体实施方式
以下的实施例是对本发明的进一步说明，并不是限制本发明的范围。
全钒液流电池测试条件为：其中催化层为活性炭毡，双极板为石墨板，膜有效面积为9cm-2，电解液中钒离子浓度为1.50mol L-1，H2SO4浓度为3mol L-1。在工作电流密度为80mAcm-2条件下恒流充放电。
实施例1
按照上述方法配置混合共混溶液，其中聚醚砜的质量浓度为20％，聚偏氟乙烯的质量浓度为5％，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为20％。将混合共混溶液涂布于平板上，采用溶剂挥发法用混合共混溶液制膜，温度50℃，挥发时间50分钟。成膜后再经过水相转化处理得到所需多孔膜，多孔膜厚度为50μm。
将制成的多孔膜进行韧性测试，其断裂伸长率为30％.。液流电池测试，本发明以全钒液流电池为例。在工作电流密度为80mAcm-2条件下恒流充放电，库仑效率为98％，能量效率为84.5％。
实施例2
按照上述方法配置混合共混溶液，其中聚醚砜的质量浓度为20％，聚偏氟乙烯的质量浓度为8％，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为20％。将混合共混溶液涂布于平板上，采用溶剂挥发法用混合共混溶液制膜，温度50℃，挥发时间50分钟。成膜后再经过水相转化处理得到所需多孔膜，多孔膜厚度为50μm。
将制成的多孔膜进行韧性测试，其断裂伸长率为70％.。液流电池测试，本发明以全钒液流电池为例。在工作电流密度为80mAcm-2条件下恒流充放电，库仑效率为98％，能量效率为84.2％。
实施例3
按照上述方法配置混合共混溶液，其中聚醚砜的质量浓度为20％，聚偏氟乙烯的质量浓度为10％，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为20％。将混合共混溶液涂布于平板上，采用溶剂挥发法用混合共混溶液制膜，温度50℃，挥发时间50分钟。成膜后再经过水相转化处理得到所需多孔膜，多孔膜厚度为50μm。
将制成的多孔膜进行韧性测试，其断裂伸长率为110％.。液流电池测试，本发明以全钒液流电池为例。在工作电流密度为80mAcm-2条件下恒流充放电，库仑效率为98％，能量效率为84.0％。
实施例4
按照上述方法配置混合共混溶液，其中聚醚砜的质量浓度为20％，聚偏氟乙烯的质量浓度为15％，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为20％。将混合共混溶液涂布于平板上，采用溶剂挥发法用混合共混溶液制膜，温度350℃，挥发时间50分钟。成膜后再经过水相转化处理得到所需多孔膜，多孔膜厚度为50μm。
将制成的多孔膜进行韧性测试，其断裂伸长率为180％.。液流电池测试，本发明以全钒液流电池为例。在工作电流密度为80mAcm-2条件下恒流充放电，库仑效率为98％，能量效率为83.8％。
实施例5
按照上述方法配置混合共混溶液，其中聚醚砜的质量浓度为20％，聚偏氟乙烯的质量浓度为20％，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为20％。将混合共混溶液涂布于平板上，采用溶剂挥发法用混合共混溶液制膜，温度50℃，挥发时间50分钟。成膜后再经过水相转化处理得到所需多孔膜，多孔膜厚度为50μm。
将制成的多孔膜进行韧性测试，其断裂伸长率为187％。液流电池测试，本发明以全钒液流电池为例。在工作电流密度为80mAcm-2条件下恒流充放电，库仑效率为98％，能量效率为82.3％。
对比例
按照上述方法配置混合共混溶液，其中聚醚砜的质量浓度为20％，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为20％。将混合共混溶液涂布于平板上，采用溶剂挥发法用混合共混溶液制膜，温度50℃，挥发时间50分钟。成膜后再经过水相转化处理得到所需多孔膜，多孔膜厚度为50μm。
将制成的多孔膜进行韧性测试，其断裂伸长率为6％.。液流电池测试，本发明以全钒液流电池为例。在工作电流密度为80mAcm-2条件下恒流充放电，库仑效率为98％，能量效率为84.9％。
综上所述，聚偏氟乙烯加入后，从断裂伸长率的测试数据来看，明显的提高了膜的韧性。综合电池性能和韧性来看，当聚醚砜的质量浓度为20％，聚偏氟乙烯的质量浓度为15％，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为20％时。制成的多孔膜最适合使用。

Claims (6)

1.一种共混多孔膜在液流电池中的应用，其特征在于：所述聚醚砜和增韧材料制成的共混多孔膜；
增韧材料为聚砜、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇中的一种或两种以上。
2.根据权利要求1所述应用，其特征在于：
聚醚砜和增韧材料的质量比为(10-40)：(1-50)。
3.根据权利要求1所述应用，其特征在于：
所述的多孔膜的厚度为20-100μm。
4.根据权利要求1所述应用，其特征在于：
所述共混多孔膜按以下方法制备：
1)将聚醚砜与增韧材料溶于有机溶剂中，在温度为10-40℃之间搅拌10小时以上，得到共混溶液；
2)将造孔剂加入步骤1)已配置好的溶液中，在温度为10-40℃之间搅拌10小时以上，得到混合共混溶液；混合共混溶液中聚醚砜的质量浓度为10-40％之间，增韧材料的质量浓度为1-50％之间，造孔剂的质量浓度为10-30％之间；
3)将混合溶液涂布于平板上，采用溶剂挥发法制备成膜，温度30-60℃，挥发时间不少于10分钟；所述的多孔膜的厚度为20-100μm；
4)将步骤3)成膜后的膜浸泡于水中，温度10-80℃，时间5h以上，经过水相转化处理得到所需多孔膜。
5.根据权利要求4所述应用，其特征在于：所述有机溶剂为DMSO、DMAC、NMP、DMF中的一种或两种以上。
6.根据权利要求4所述应用，其特征在于：造孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚二烯丙基二甲基氯化铵中的一种或两种。
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