微孔聚合物阳离子导体膜的制备和性能研究

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离子交换膜作为能量存储与转换器件中的关键组件引起人们极大的兴趣。离子交换膜应具有高效的离子传导性能,良好的机械性能,热及电化学稳定性,其基本作用是防止电池的阴阳两极接触引起短路,在锂空气电池、液流电池、锂硫电池等新一代电池中,同时希望隔膜能够有效地阻止气体、溶剂等分子的渗透。自具微孔聚合物扭曲的分子结构,可防止有效空间被填充和孔隙坍塌,使其具有微孔特性,阻止小分子的渗透。本文利用自具微孔聚合物的结构特点,制备了混合基质膜、羧基功能化膜和三明治结构膜等一系列新型离子交换膜,详细研究了膜的热稳定性、力学强度和电化学稳定性,探究膜的离子交换特性,并构筑了概念性的Li/Na-H2O2混合电解质柔性电池,实验中电池可实现平稳的放电,证明自具微孔聚合物膜可用作离子选择性传导膜并用于新一代能源器件的构筑。具体内容如下:(1)成功合成了分子量大于50000 g/mol的自具微孔聚合物(PIM-1),其具有良好的成膜性能,为后续的阳离子传导膜的制备提供了基础。(2)以自具微孔聚合物(PIM-1)为成膜基质,分别向其中填充金属有机框架纳米晶体(UiO-66-NH2)和锂盐,制备了两种混合基质膜。对其进行了形貌、结构及离子传导性能研究。发现混合了MOF和锂盐后,膜的阳离子传导性得到了显著增强。(3)将自具微孔聚合物膜进行水解获得羧基(-COOM)功能化的阳离子传导膜,在不改变其分子结构堆积方式的情况下,将主链中的腈基(-CN)水解为-COOM。水解后的膜不但具有高的比表面积及微孔结构、良好的机械性能和热稳定性、耐酸耐碱、厚度可调以及良好的柔韧性,还在水系(1.6?10-3 S cm-1)和有机系(1?10-5 S cm-1)电解质中都有良好的锂离子电导率。以其构筑锂金属-H2O2电池,实现平稳放电,电流密度为0.2 mA cm-2时,其输出电压为2.9 V。(4)将混合锂盐的聚合物膜进行原位水解,可构筑出表面具有大孔的三明治结构膜,膜的离子传导性能较原始的膜有了很大提高,其电化学稳定性也显著提高。锂离子在水系和有机系电解液中的电导率分别为6.63?10-3和5?10-4 S cm-1,利用其构筑的柔性铝塑膜锂金属-H2O2电池,在不同的弯折角度下都可以使蓝色LED灯点亮。
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