막/양성자 막 준비 방법 공유!

연료 전지그리고 모두-바나듐 흐름 배터리재생 에너지 저장 및 전기 자동차와 같은 다양한 분야에서 널리 사용될 수있는 중요한 에너지 저장 및 변환 기술입니다. 막 재료는 전해질의 양쪽 끝에서 전자 침투를 방지하면서 이온 전도도가 높고 기계적 안정성이 우수해야하기 때문에 이러한 배터리의 성능에 중요한 역할을합니다.

막 재료는 대략 다음 범주로 나눌 수 있습니다.

1. Perfluorosulfonic acid embranes (예 : Nafion) :이 물질은 일반적으로 우수한 화학적 안정성과 우수한 전도도를 가지지 만 더 비쌉니다.

2. 비 플루오르 화 막 (예 : 설 폰화 된 폴리 에테르 케톤, Speek) : 이들은 상대적으로 낮은 비용을 가진보다 환경 친화적 인 옵션이지만 성능에서 퍼플 루오 설 폰산 막이 약간 열등 할 수 있습니다.

3. 다공성 막 (예 : 다공성 폴리 비닐 리덴 불소, PVDF) : 전해질 및 이온 교환의 흐름을 효과적으로지지 할 수있는 특정 기공 구조가 있습니다.

4. 수처리 막 (주로 폴리올레핀 물질) : 주로 수처리에 사용되지만 특정 유형의 이온 교환을 지원하는 것과 같은 특정 배터리 기술의 응용을 찾을 수도 있습니다.

이미지 출처 : 중합체 에너지 저장

각 재료의 준비 방법 및 메커니즘은 다르며, 이는 실험실 준비 및 대규모 생산에서의 적용에 영향을 미칩니다. 오늘 우리는 다이어프램의 준비 방법을 공유 할 것입니다.양성자 막.

다이어프램의 제조 공정은 주로 다음과 같습니다.

1. 대칭 막 (균질 막)

1.1 밀도가 높은 막 준비 방법

솔루션 캐스팅 방법 :

이 방법은 일반적으로 실험실에서 사용됩니다. 구체적으로, 중합체는 특정 질량 분획을 갖는 중합체 용액으로 구성되며, 가열, 교반 및 탈기 후,이를 금형에 주조한다. 중합체 용액이 점차적으로 고화 될 때, 양성자 막이 형성된다. 금형은 유리 판, 스테인레스 스틸 플레이트, 배양 접시 등과 같은 중합체 및 용매 선택에 따라 선택 될 수 있습니다 (아래 그림과 같이).

예를 들어, 일반적인 퍼플 루어레이드 시리즈의 준비에서양성자 교환 막, 퍼플 루어 화 된 설 폰산 수지는 일반적으로 높은 끓는점 용매 (또는 수질 시스템이 사용됨)에 용해되며, 비교적 균일 한 주조 액체는 고속 원심 분리 또는 마이크로파 진동 탈기에 의해 얻어진다. 그런 다음 주조 액체를 평평한 유리 판 또는 스테인레스 스틸 플레이트에 붓습니다 (물 알코올 시스템 인 경우 저온에서 천천히 구운 다음 고온에서 어닐링해야합니다). 그런 다음 특수 스크레이퍼를 사용하여 아래 그림과 같이 특정 두께로 균일 한 코팅으로 퍼지는 데 사용될 수 있습니다 (아래 그림과 같이 두께 조정은 스크레이퍼의 유형에 따라 달라지며 경험에 따라 조정됩니다. 정확하게 조정 가능한 스크레이퍼라면, 액체의 견고한 함량과 양성자 멤브레인의 체중으로 계산 될 수 있습니다). 증발하고 마지막으로 균일 한 필름이 형성됩니다.

용융 필름 형성 방법 (용융 압출) :

중합체를 용융점 위로 가열하고 녹아서 특정 곰팡이 또는 압출기 다이를 통해 필름으로 형성 하였다. 이 방법의 장점은 간단한 장비와 쉬운 작동이지만 필름의 두께와 균일 성은 제어하기 쉽지 않습니다. 또한, 실험실 단계에서 사용되는 중합체의 양은 비교적 크며,이 방법은 종종 엔지니어링 증폭에 사용됩니다. 일반적으로,이 방법은 유기 중합체가 적합한 용매와 일치시키기 위해 주조 용액을 준비 할 수없는 경우에 사용된다.

1.2 미세 다공성 막의 제조 방법 (대칭 막)

스트레칭 방법 :

중합체가 반 결정질 상태에있을 때, 내부에 결정질 및 비정질 영역이 있으며, 두 영역의 기계적 특성은 다릅니다. 중합체가 인장력을 앓을 때, 비정질 영역이 과도하게 스트레칭되어, 국소 파괴가 마이크로 포어를 형성하고, 결정 영역은 미세 다공성 영역의 골격으로 보존되어 신장 된 반정골 막을 형성한다.

요점 : 1. 반 결정질 중합체의 형성은 스트레칭 방법의 핵심이다. 2. 스트레칭 다중 및 스트레칭 속도는 대상 마이크로 포어 크기 및 다공성과 같은 매개 변수를 형성하는 열쇠입니다.

단계는 압출 방향 → 열처리 → 냉간 스트레칭 기공 만들기 → 열 설정을 따라 중합체 용융 압출 → 평행 미세 결정 형성으로 대략적으로 나뉩니다. 이 방법은 주로 폴리에틸렌 및 폴리 테트라 플루오로 에틸렌과 같은 막 물질에 사용됩니다.

핵 트랙 에칭 방법 : 

중합체 필름은 동위 원소 핵분열 단편 또는 무거운 입자 가속기에 의해 방출되는 하전 입자에 의해 수직 방향으로 충격되며, 중합체 분자의 긴 사슬이 파손된다. 골절에 형성된 고도로 활성 화학 반응 능력으로 인해 화학 에칭 제에 의해 우선적으로 용해되어 구멍을 형성 할 수 있습니다. 막 기공의 크기는 침식 정도에 의해 제어된다. 소결 방법 : 분말 중합체 또는 금속 분말을 고르게 가열하고 온도와 압력을 제어하여 분말 입자 사이에 특정 기공이 있도록 분말 입자의 표면을 녹이지만 완전히 녹지 않도록하여 서로 결합하여 다공성 얇은 층 또는 관형 구조를 형성합니다. 막 기공의 크기는 원래 분말의 입자 크기와 소결 온도에 의해 제어 될 수있다. 이 방법은 주로 금속 분말과 같은 막 재료에 사용됩니다.

용액 상 분리 방법으로도 알려진 용해 방법 :

그것은 일반적으로 특정 가용성 중합체 또는 다른 가용성 고체 첨가제를 막 중합체에 혼합하는 것을 지칭한다. 막이 형성된 후, 막 몸체를 수조 또는 일부 가난한 용매에 넣어 혼합 물질을 침출시켜 기공을 형성한다. 일반적인 "포로겐"에는 아래 그림과 같이 PEG, 알코올, 에스테르 등이 포함됩니다.

2. 비대칭 막의 준비

2.1 위상 반전 방법

상 반전 방법은 중합체가 용액으로부터 고체로 침전되고 균질 액체 상태로부터 2 개의 액체 상태 (액체-액체 상 분리라고도 함)로 변형되는 공정으로, 이는 중합체 농축 상 및 희석 상의 형성을 유발한다. 농축상은 결국 막 몸체를 형성하고, 희석상은 기공으로 변형된다. 이 방법은 주로 수처리 분야에서 사용됩니다.

최근 몇 년 동안, 액체 흐름 배터리 분야에 "기공 크기 스크리닝"원리를 도입함에 따라, Zhang Huamin 팀의 다공성 막 시리즈와 Dalian Chemical Physics의 Li Xianfeng은 위상 반전 방법을 사용하여 준비됩니다. 그의 막 형성 메커니즘은 특정 조건 하에서 주조 액체 (중합체 용액 및 용매로 구성된)의 형질 전환 공정을 포함하고, 마지막으로 특정 구조 및 성능을 갖는 중합체 분리 막을 형성한다. 이 프로세스에는 주로 위상 분리 과정과 위상 반전 프로세스의 두 단계가 포함됩니다.

위상 분리 과정 :

주조 액체가 겔 욕조에 침지 될 때, 액체 막/겔 목욕 계면을 통해 용매 및 비 용매가 서로로 확산됩니다. 이 단계에서, 용매와 비-용매 사이의 교환이 특정 수준에 도달 할 때, 주조 액체는 열역학적으로 불안정한 시스템이되므로 위상 분리가 발생합니다. 이 단계는 막 기공 구조를 결정하는 핵심입니다. 이 연구는 주로 주조 액체 시스템의 열역학적 특성 및 질량 전달 동역학에 중점을 둡니다.

위상 변환 과정 :

상 분리 후, 용매 및 비-용매는 추가로 교환되고, 막 기공의 축합, 간기 흐름 및 막으로의 중합체-풍부 위상의 응고가 발생한다. 이 단계는 염기막의 구조적 형태에 큰 영향을 미칩니다. 이 연구는 주로 위상 분리에서 주조 액체 상 변환으로의 위상 형질 전환 동안 구조 제어 (겔 운동 공정)에 중점을 둡니다. 위상 형질 전환 방법은 주파수를 사용하여 주변 환경과 용매 및 비 용매 질량 전달을 교환합니다. 원래 정상 상태 용액은 불안정 해지고 액체-액체 상 변환을 2 상으로 생성합니다. 결국 기공을 형성하는 막과 중합체 가성상을 형성하는 중합체가 풍부한 상으로, 막 구조를 형성합니다. 이 방법은 작동하기 쉽고 다양한 형태의 막을 준비하는 데 사용될 수 있으므로 가장 일반적으로 사용되는 막 만들기 공정이되었습니다. 위상 형질 전환 막의 특성은 피부 층과지지 층이 동일한 재료로 만들어지고 피부 층과지지 층이 동시에 준비되고 형성된다는 것이다.

또한, 셀룰로오스 막의 구조 및 특성에 대한 유형, 농도, 막-형성 액체의 점도, 응고 조의 온도와 같은 막 형성 조건의 효과도 심도있게 연구되었다. 이러한 조건은 확산 속도에 영향을 미쳐 막의 구조와 성능을 결정합니다. 예를 들어, 중합체 용액이 천천히 침전 될 때, 스폰지 유사 구조 (RO 막)가 얻어지고 겔이 빠르게 형성되면 아래 그림과 같이 손가락 같은 구조 (UF 막)가 얻어진다.

2.2 열 유도 위상 분리 방법 :

중합체를 다른 용매와 혼합하고 중합체의 용융점 위로 가열하여 중합체를 녹이고 다른 용매와 분리한다. 이어서, 중합체를 냉각시켜 고체 막을 형성한다. 이 방법은 균일 성이 높은 비교적 얇은 막을 생성 할 수 있습니다.

2.3 화학적 가교 방법 :

중합체 용액을 가교제와 혼합하고, 가열 또는 촉매에 의해 가교 반응을 유도하여 물-불용성 가교 된 중합체 막을 형성한다. 이 방법에 의해 얻어진 막은 우수한 성능을 가지지 만, 가교제의 유형과 농도는 막의 성능에 큰 영향을 미친다. 상기는 양성자 교환 막을위한 몇 가지 제조 공정입니다. 상이한 과정은 상이한 폴리머 및 사용에 적합하다. 실제 생산에서 특정 요구에 따라 다이어프램을 준비하기 위해 적절한 프로세스를 선택해야합니다.

유량 배터리는 액체 전해질의 흐름을 통해 전기 에너지를 저장하는 충전식 배터리입니다. 전통적인 솔리드 스테이트 배터리 (예 : 리튬 이온 배터리)와 달리, 흐름 배터리의 에너지 저장 부품 (전해질)은 분리되고 일반적으로 외부 용기에 저장되어 충전 및 방전 중에 배터리 셀을 통해 순환합니다. 흐름 배터리는 액체 전해질에 활성 물질이 존재하는 배터리 기술입니다. 전해질은 배터리 스택 외부에 있으며 순환 펌프 촉진 아래 배터리 스택을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환 할 수 있습니다. 전 세계 유량 배터리에 대한 4 가지 주요 기술 경로가 있습니다 : 모든 바나듐 흐름 배터리, 아연-브로민 배터리, 철 염소 배터리 및 나트륨 폴리 설파이드-브롬 배터리. 그중에서도 모든 바나듐 흐름 배터리의 현재 산업 체인 건설 및 기술 성숙도는 상대적으로 높습니다. All-Vanadium Flow Battery System은 전원 장치 (배터리 스택), 에너지 장치 (전해질 및 전해질 저장 탱크), 전해질 전달 장치 (파이프 라인, 밸브, 펌프, 센서 및 기타 보조 구성 요소) 및 배터리 관리 시스템으로 구성됩니다. 그중에서도 배터리 스택은 이온 교환 막, 전극, 바이폴라 플레이트, 전극 프레임, 씰 및 기타 재료로 구성됩니다. 유량 배터리 생산 라인에는 바이폴라 플레이트, 멤브레인 절단, 탄소 펠트 절단, 배터리 스택 어셈블리) 등이 포함됩니다.