本發(fā)明涉及電化學(xué)，具體為一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜。

背景技術(shù)：

1、高電導(dǎo)率膜材料在新能源電池中應(yīng)用廣泛，包括導(dǎo)電性聚合物、碳納米材料和透明導(dǎo)電氧化物。通過摻雜提升電導(dǎo)率，這些膜可用于電極材料、電解質(zhì)膜和界面修飾層，顯著優(yōu)化電池的能量密度、離子遷移效率和界面穩(wěn)定性，從而提升電池性能，推動(dòng)新能源技術(shù)的發(fā)展。

2、現(xiàn)有技術(shù)中多數(shù)優(yōu)化主要集中在單一性能方面，如電導(dǎo)率、耐化學(xué)腐蝕性或高溫穩(wěn)定性，而缺乏多重性能綜合優(yōu)化的綜合考慮，在實(shí)際應(yīng)用中，離子交聯(lián)型膜往往需要同時(shí)具備高電導(dǎo)率、優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性和良好的高溫穩(wěn)定性，缺乏綜合性能優(yōu)化導(dǎo)致在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中的性能不盡如人意，例如在極端條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性或效率降低，同時(shí)，目前的離子交聯(lián)型膜技術(shù)在設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，缺乏與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的深入結(jié)合，如電池、電解質(zhì)、化工反應(yīng)器等特定應(yīng)用的需求差異化，這種情況導(dǎo)致開發(fā)出來的膜材料雖然在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)異，但在實(shí)際應(yīng)用中遇到的挑戰(zhàn)和需求無法得到有效應(yīng)對(duì)，從而限制了技術(shù)的商業(yè)化和工業(yè)化進(jìn)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜，解決了現(xiàn)有技術(shù)中單一功能性能優(yōu)化的局限性和缺乏與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的緊密結(jié)合的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜，包括以下質(zhì)量百分比的組分：側(cè)鏈離子交聯(lián)型含氟支化磺化聚酰亞胺55％、聚苯并咪唑25％、聚多巴胺功能化碳納米管5％、聚醚酰胺5％、硅氧烷耐久性改良劑5％和離子液體2％。

3、優(yōu)選的，所述離子液體為乙基-3-甲基咪唑磺酸鹽和聚合物電解質(zhì)基離子液體中的一種，所述乙基-3-甲基咪唑磺酸鹽為磺酸鹽型離子液體。

4、一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜的制備方法，包括以下步驟：

5、s1、材料準(zhǔn)備和溶液制備：準(zhǔn)備所需主材料，并配備選定所需輔材；

6、s2、成膜過程：將所準(zhǔn)備主材料以及輔材按順序放入模具中成型；

7、s3、固化處理：成膜后的薄膜進(jìn)行固化處理，使用熱處理或紫外光照射。熱處理溫度和時(shí)間根據(jù)材料的熱穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整，以促進(jìn)材料的交聯(lián)和結(jié)晶，增強(qiáng)膜的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性；

8、s4、酸泡質(zhì)子化處理；用去離子水將隔膜清洗后，將其浸泡于1mo?l?l-1的硫酸溶液中24h，完全進(jìn)行質(zhì)子交換，使膜轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子型。最后，用去離子水浸泡膜24h以充分除去隔膜上殘留的硫酸溶液，并儲(chǔ)存待后續(xù)測(cè)試使用；

9、s5、性能測(cè)試和優(yōu)化：制備好的薄膜進(jìn)行各種性能測(cè)試，包括但不限于電導(dǎo)率、離子傳導(dǎo)性能、機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕性和熱穩(wěn)定性，根據(jù)測(cè)試結(jié)果優(yōu)化材料配比和制備工藝，以達(dá)到最佳的電池性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

10、優(yōu)選的，所述s1包括以下步驟：

11、s1-1、準(zhǔn)備側(cè)鏈離子交聯(lián)型含氟支化磺化聚酰亞胺和聚苯并咪唑溶液：在適量的有機(jī)溶劑中分別溶解側(cè)鏈離子交聯(lián)型含氟支化磺化聚酰亞胺和聚苯并咪唑，典型的溶解濃度為側(cè)鏈離子交聯(lián)型含氟支化磺化聚酰亞胺：55％(質(zhì)量比)，聚苯并咪唑：25％(質(zhì)量比)。確保在適宜的溫度和攪拌條件下完全溶解，形成均勻的溶液；

12、s1-2、添加聚多巴胺功能化碳納米管或石墨烯氧化物：將預(yù)先分散好的聚多巴胺功能化碳納米管或石墨烯氧化物逐步加入到側(cè)鏈離子交聯(lián)型含氟支化磺化聚酰亞胺和聚苯并咪唑溶液中，添加量約為總質(zhì)量的0.2％—2％(質(zhì)量比)，每次添加后，使用攪拌器或超聲波處理確保填料均勻分散在溶液中，避免團(tuán)聚；

13、s1-3、加入聚醚酰胺作為親水劑：將聚醚酰胺作為親水劑加入到上述溶液中，添加量約為總質(zhì)量的5％(質(zhì)量比)，聚醚酰胺有助于提高薄膜的水合能力和離子傳導(dǎo)性；

14、s1-4、添加其他的功能性材料：根據(jù)具體需求，逐步加入硅氧烷耐久性改良劑、熱穩(wěn)定劑、離子液體或其他納米粒子填料，根據(jù)每種材料的性質(zhì)和建議配比逐步調(diào)整。

15、優(yōu)選的，所述s2包括以下步驟：

16、s2-1、溶液的成膜：將混合好的溶液倒入預(yù)先準(zhǔn)備好的成膜模具中，或通過涂覆、自旋涂覆或澆鑄的方法；

17、s2-2、溶劑揮發(fā)：確保在成膜過程中，溶劑能夠充分揮發(fā)，可以通過在真空烘箱或通風(fēng)的環(huán)境中加速溶劑的揮發(fā)，形成均勻致密的膜結(jié)構(gòu)。

18、優(yōu)選的，所述溶液的成膜中涂覆、自旋涂覆或澆鑄的適宜溫度為60-80°c。

19、優(yōu)選的，所述溶劑揮發(fā)攪拌時(shí)間根據(jù)溶液的粘度和流動(dòng)性、溶劑的揮發(fā)性和環(huán)境條件而定。

20、優(yōu)選的，所述磺化聚酰亞胺，磺化度50％，其制備步驟如下：

21、a、磺化處理：將1,4,5,8-萘四甲酸二酐(ntda)溶解于濃硫酸中，進(jìn)行磺化反應(yīng)，得到磺化的ntda。

22、b、溶解與混合：將1,3,5-三(2-三氟甲基-4-氨基苯氧)苯(tfapob)、4,4'-二氨基二苯醚(oda)、雙磺酸聯(lián)苯胺(bdsa)和磺化后的ntda按照設(shè)定的摩爾比例溶解于溶劑中，溶劑可選用二甲基亞砜(dmso)或二甲基甲酰胺(dmf)。

23、c、縮聚反應(yīng)：將上述混合溶液加熱至80-120℃，進(jìn)行縮聚反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)tfapob與oda的摩爾比例來控制最終產(chǎn)物的支化度，支化度范圍為4-12％。

24、d、成膜：反應(yīng)完成后，將所得的磺化聚酰亞胺樹脂溶液冷卻至室溫，經(jīng)溶劑的蒸發(fā)或真空干燥，得到磺化聚酰亞胺樹脂，以備后期共混制備溶液使用。

25、e、后處理：對(duì)樹脂高聚物進(jìn)行清洗，以去除殘留的溶劑和未反應(yīng)的單體。

26、f、表征分析：對(duì)最終產(chǎn)物進(jìn)行核磁共振(nmr)、紅外光譜(ft?i?r)等表征，確認(rèn)其磺化度和支化度，同時(shí)測(cè)試其機(jī)械性能和離子導(dǎo)電性等性能指標(biāo)。

27、本發(fā)明提供了一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜。具備以下有益效果：

28、1、本發(fā)明通過配比包含了側(cè)鏈離子交聯(lián)型含氟支化磺化聚酰亞胺和聚苯并咪唑的基礎(chǔ)比例，并成功融入了聚多巴胺功能化碳納米管和聚醚酰胺，聚多巴胺功能化碳納米管作為導(dǎo)電增強(qiáng)劑，不僅提高了薄膜的電導(dǎo)率，還增強(qiáng)了其機(jī)械性能，有助于在復(fù)雜應(yīng)力下保持穩(wěn)定性，同時(shí)，聚醚酰胺的加入作為親水劑，提升了膜的水合能力和離子傳導(dǎo)性能，從而增強(qiáng)了膜在電池和電解質(zhì)應(yīng)用中的可靠性和效率，通過優(yōu)化這些關(guān)鍵成分的比例，可以確保離子交聯(lián)型膜在高能量密度電池和其他電化學(xué)設(shè)備中表現(xiàn)出色，為新能源技術(shù)的發(fā)展提供了可靠的基礎(chǔ)材料支持。

29、2、本發(fā)明通過添加硅氧烷耐久性改良劑，可以有效提升膜對(duì)化學(xué)腐蝕的抵抗能力，延長(zhǎng)其使用壽命，同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整離子液體的比例，可以進(jìn)一步提高膜的離子傳導(dǎo)性能，確保在復(fù)雜的操作條件下仍然能夠保持高效率，這種組合優(yōu)化不僅適用于燃料電池和電解質(zhì)膜，還可以在化工行業(yè)的特殊反應(yīng)器和電化學(xué)反應(yīng)器中發(fā)揮重要作用，為工業(yè)應(yīng)用帶來更可靠和穩(wěn)定的解決方案。

技術(shù)特征：

1.一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜，其特征在于，包括以下質(zhì)量百分比的組分：側(cè)鏈離子交聯(lián)型含氟支化磺化聚酰亞胺50％、聚苯并咪唑25％、聚多巴胺功能化碳納米管5％、聚醚酰胺5％和硅氧烷耐久性改良劑5％。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜，其特征在于，所述聚多巴胺功能化碳納米管可通過石墨烯氧化物代替，所述聚多巴胺功能化碳納米管和石墨烯氧化物均為納米級(jí)填料。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜，其特征在于，所述離子液體為乙基-3-甲基咪唑磺酸鹽和聚合物電解質(zhì)基離子液體中的一種，所述乙基-3-甲基咪唑磺酸鹽為磺酸鹽型離子液體。

4.一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜的制備方法，用于制備如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜的制備方法，其特征在于，所述s1包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜的制備方法，其特征在于，所述s2包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜的制備方法，其特征在于，所述溶液的成膜中涂覆、自旋涂覆或澆鑄的適宜溫度為60-80℃。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜的制備方法，其特征在于，所述溶劑揮發(fā)攪拌時(shí)間根據(jù)溶液的粘度和流動(dòng)性、溶劑的揮發(fā)性和環(huán)境條件而定。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜的制備方法，其特征在于，所述磺化聚酰亞胺，磺化度50％，其制備步驟如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種新型離子交聯(lián)型的高電導(dǎo)率兩性膜，包括以下質(zhì)量百分比的組分：側(cè)鏈離子交聯(lián)型含氟支化磺化聚酰亞胺50％、聚苯并咪唑25％、聚多巴胺功能化碳納米管0.5％?1％、聚醚酰胺5％和硅氧烷耐久性改良劑5％，所述聚多巴胺功能化碳納米管可通過石墨烯氧化物代替，所述聚多巴胺功能化碳納米管和石墨烯氧化物均為納米級(jí)填料，所述離子液體為乙基?3?甲基咪唑磺酸鹽和聚合物電解質(zhì)基離子液體中的一種。通過優(yōu)化離子交聯(lián)型膜的配比設(shè)計(jì)可通過增加導(dǎo)電增強(qiáng)劑如聚多巴胺功能化碳納米管和親水劑如聚醚酰胺，提升電導(dǎo)率和耐化學(xué)性，同時(shí)優(yōu)化高溫穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)性能，適應(yīng)電化學(xué)應(yīng)用需求。

技術(shù)研發(fā)人員：孟青,張家樂,于冬青,吳志寬,許超
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山西國(guó)潤(rùn)儲(chǔ)能科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19