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隔膜为全钒氧化还原液流电池(简称钒电池)的核心部件之一,起到分隔正、负极电解液与传导内部电流载体(如H+)的双重功能。目前,钒电池用隔膜主要为电导率优良、结构稳定的全氟磺酸离子交换膜(如Nafion®系列膜),但该类膜严重的钒离子渗透与高昂的价格限制了其商用进程。针对此类膜存在的主要问题,论文以发展高电导率、低钒离子渗透系数、优异机械和化学稳定性、合理价格的钒电池用隔膜为目标,围绕探索制备可替代Nafion®膜的聚芳醚酮类新型两性离子交换膜(AIEM)开展了系列工作。全文研究内容如下:(1)建立了含苯并咪唑结构聚芳醚酮的合成方法。合成了系列苯并咪唑结构(BI)含量可调节的聚芳醚酮(PAEK-co-x%BI);测试表明该类共聚物在DMAc、DMSO、NMP等溶剂中具有良好的溶解性能;DSC和DMA测试表明随着苯并咪唑结构单元含量的增加,无规共聚物的玻璃化转变温度亦逐步增加,从157oC增加到了319oC;热重分析表明共聚物具有优异的热稳定性(如空气中,失重5%的温度为438 oC);在0.1-50kHz的频率范围内,共聚物的介电常数均小于2.66。(2)提出了改性高磺化度磺化聚醚醚酮的策略。据分子间/内的酸-碱相互作用和分子链段的“相似相容”原理,利用自制的交替结构聚芳醚酮-alt-苯并咪唑(PAEK-alt-%BI)对磺化聚醚醚酮(SPEEK,磺化度86.5%))进行共混改性,制备了系列共混膜。借助于TEM和sem,观察到共混膜形貌中清晰的纳米尺寸的域畴,表明二组分间高度的相容性;利用热重分析表明二组分之间存在有酸-碱相互作用;添加的改性组分改善了speek的吸水性和溶胀率、机械和氧化稳定性;共混膜的渗透系数比nafion117膜小4个数量级;装配有共混膜单电池的库伦效率(99.4%vs.96.8%)、电压效率(75.9%vs.73.3%)和能量效率(75.4%vs.71.0%)均高于nafion117膜的单电池。(3)设计并制备了一种磺化聚六氟芳醚酮两性离子膜。利用自制的磺化聚(六氟芳醚酮-10%苯并咪唑)(spaek-6f-co-10%bi)制备了自离子交联aiem及离子/共价双重交联aiem-c,并评价了此二膜的物理-化学基本性质。研究表明,aiem及双重交联aiem-c的vo2+渗透系数分别为2.24×10-11cm2min-1和1.28×10-11cm2min-1,为nafion117膜渗透系数(1.43×10-8cm2min-1)的1/638和1/1117,且aiem的vo2+和v3+渗透系数也显著低于nafion117膜;借助于edx表征了膜内vo2+的浓度,分析表明aiem低vo2+渗透率可归因于donnan排阻效应和分子间分子内的相互作用;装配有aiem的单电池的自放电时间约为nafion117单电池的3倍,且30macm-2下,电池充-放电220周的库伦效率(99.0%vs.96.4%)、电压效率(90.7%vs.90.7%)及能量效率(89.8%vs.87.4%)高于相应的nafion117膜。(4)揭示了磺化聚六氟芳醚酮aiem结构与性能的关系。制备并系统评价了系列磺化聚(六氟芳醚酮-x%苯并咪唑)(spaek-6f-co-x%bi)aiem。研究表明:随着苯并咪唑结构含量的增加,aiem的vo2+渗透率逐渐降低,且均显著低于nafion117;装配有AIEM单电池的自放电时间为Nafion膜的1.4-3.4倍;在30、50和70mA cm-2下,装配有优选的AIEM的单电池的效率、容量衰减均显著优于Nafion117膜的单电池。例如,70mA cm-2时,装配有AIEM单电池的库伦效率(98.8-99.7%vs.96.9%)、电压效率(73.6-68.4%vs.69.8%)及能量效率(68.1-67.7%vs.67.7%)均可与Naion117膜的单电池比较;进一步地,装配有AIEM的单电池的水和钒离子的迁移率均小于Nafion117膜的单电池,表明低钒离子渗透率有利于单电池容量的保持率;AIEM在含1.5M VO2+(aq.)的强氧化性溶液中浸泡370d后仍能保持良好的机械稳定性,表明其良好的抗氧化性能。(5)设计并制备了新型酸-碱共混离子膜。利用季铵化聚醚砜(QPES)对含六氟甲基异丙烷结构磺化聚芳醚酮(SPAEK-6F)进行了共混改性,并考察了QPES对所制备酸-碱共混离子膜性能的影响。研究表明:QPES的添加降低了共混膜的离子交换容量、热稳定性以及吸水性与溶胀率,但增加了膜面电阻;共混膜的VO2+渗透系数1.54-2.07×10-11cm2 min-1显著低于Nafion117膜(6.61×10-10cm2min-1);装配有共混膜的单电池充-放电循环560周后,部分电池的电池效率高于Nafion117膜的单电池,且相应单电池的自放电时间(>500h)显著长于Nafion117膜的单电池(80h),表明该共混膜具有良好的电化学性能和化学稳定性。