離子傳輸材料、包含該離子傳輸材料的電解質(zhì)膜及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本申請要求于2 013年10月18日在韓國知識產(chǎn)權局提交的韓國專利申請?zhí)?0-2013-0124904的優(yōu)先權和權益，其全部內(nèi)容通過引用的方式并入本申請中。
[0002] 本申請涉及離子傳輸材料、包含該離子傳輸材料的電解質(zhì)膜以及制備該電解質(zhì)膜 的方法。
【背景技術】
[0003] 燃料電池是將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。也就是，燃料電池 使用燃氣和氧化劑，并且采用通過在燃氣和氧化劑的氧化還原反應的過程中產(chǎn)生的電子來 生產(chǎn)電力的方法。燃料電池的膜電極組件(MEA)是發(fā)生氫氣和氧氣的電化學反應的部件，并 且由陰極、陽極和電解質(zhì)膜即離子傳導電解質(zhì)膜組成。
[0004] 氧化還原液流電池(氧化-還原液流電池)是包含在電解質(zhì)溶液中的活性材料被氧 化和還原并由此充電和放電的系統(tǒng)，而且是將活性材料的化學能直接儲存成電能的電化學 存儲裝置。氧化還原液流電池的單元電池包括電極、電解質(zhì)和離子交換膜。
[0005] 燃料電池和氧化還原液流電池由于高能源效率和較少污染物排放的環(huán)境友好特 性已經(jīng)作為下一代能源被研究和開發(fā)。用于燃料電池和氧化還原液流電池的離子交換膜材 料除了優(yōu)異的質(zhì)子電導率以外還需要具有如下特性：1)阻止電解質(zhì)的滲透(cross over)， 2)強耐化學性，3)機械性能增強以及4)低溶脹率。因此，對具有所述特性的電解質(zhì)膜的研究 一直在繼續(xù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術問題
[0007] 本申請試圖提供一種離子傳輸材料、一種包含該離子傳輸材料的電解質(zhì)膜以及一 種制備該電解質(zhì)膜的方法。
[0008] 技術方案
[0009] 為了解決所述問題，本申請?zhí)峁┝艘环N離子傳輸材料，該離子傳輸材料包含:含有 下面式1的單元以及至少下面式2的單元、下面式3的單元和下面式4的單元中的一種單元的 共聚物；以及分散在該共聚物的磺酸基的周圍部分的無機粒子。
[0010] [式 1]
[0011]
[0012][式 2]
[0013]
[0014] [式 3]
[0015]
[0016] [式 4]
[0017]
[0018] 在式1中，
[0019] Z是三價芳香族環(huán)基或三價雜環(huán)基，
[0020] L是直接鍵或二價連接基，
[0021] 乂1至乂3彼此相同或不同，而且各自獨立地是直接鍵、氧（0)、羰基（-⑶-)、磺基（-SO 2-)、亞芳基、雜亞芳基或*-z-L-s〇3H，而且*表示與主鏈連接的部分，以及
[0022] 在式2至4中，
[0023] 心至^：^彼此相同或不同，而且各自獨立地是氫(H)、氟(F)或被取代或未取代的烷 基，以及
[0024] 式2至4的單元各自具有至少一個氟取代基。
[0025] 此外，本申請?zhí)峁┝艘环N電解質(zhì)膜，該電解質(zhì)膜包含所述離子傳輸材料。
[0026] 此外，本申請?zhí)峁┝艘环N包括所述電解質(zhì)膜的燃料電池。
[0027] 此外，本申請?zhí)峁┝艘环N包括所述電解質(zhì)膜的氧化還原液流電池。
[0028] 此外，本申請?zhí)峁┝艘环N用于制備電解質(zhì)膜的方法，該方法包括:制備包含含有式 1的單元以及至少式2的單元、式3的單元和式4的單元中的一種單元的共聚物的溶液A;制備 無機粒子的前體的溶液B;混合溶液A和B;以及通過使用所述混合溶液形成膜。
[0029]有益效果
[0030] 根據(jù)本申請的示例性實施方案的離子傳輸材料由于無機粒子分散在聚合物基質(zhì) 中而具有強機械性能，而且當用作電解質(zhì)膜時減少由溶劑引起的溶脹現(xiàn)象。
[0031] 此外，當用作電解質(zhì)膜時，根據(jù)本申請的示例性實施方案的離子傳輸材料通過選 擇性地將無機粒子分散在磺酸基的周圍部分而對阻止沿離子通道產(chǎn)生的電解質(zhì)材料的滲 透的效果優(yōu)異。
[0032]此外，包含根據(jù)本申請的示例性實施方案的離子傳輸材料的電解質(zhì)膜離子傳導性 優(yōu)異。
[0033] 此外，用于制備根據(jù)本申請的示例性實施方案的電解質(zhì)膜的方法由于溶液的混合 使制備方法簡單，以及無機粒子均勻地分散在共聚物的磺酸基的周圍部分。
[0034] 此外，用于制備根據(jù)本申請的示例性實施方案的電解質(zhì)膜的方法由于共聚物的聚 合物鏈包含磺酸基，可以形成無需單獨地調(diào)節(jié)pH就能分散無機粒子的電解質(zhì)膜。
【附圖說明】
[0035] 圖1說明了根據(jù)本申請的一個示例性實施方案的離子傳輸材料中無機粒子分散在 磺酸基的周圍部分的形態(tài)。
【具體實施方式】
[0036] 在下文中，將更詳細地描述本說明書。
[0037] 本申請的一個示例性實施方案提供了一種包含共聚物和分散在該共聚物的磺酸 基的周圍部分的無機粒子的離子傳輸材料。
[0038] 所述共聚物是包含磺酸基的部分氟化的聚合物。此處所述部分氟化的聚合物是指 構成聚合物的至少一種單體含有氟基。所述部分氟化的聚合物的實例可以是在烴鏈中包含 氟化取代基的共聚物。
[0039]在本申請中，所述"共聚物"可以是交替共聚物、嵌段共聚物、無規(guī)共聚物或接枝共 聚物。
[0040] 具體地，所述共聚物可以包括:式1的單元；以及式2的單元、式3的單元和式4的單 元中的至少一種單元。
[0041] 具體地，心至心：^彼此相同或不同，而且可以各自獨立地是未被取代的或被氫(H)或 氟(F)取代的&至&〇的烷基。
[0042] 所述被取代或未被取代的&至&〇的烷基可以是鏈型或分支型。例如在鏈型的情況 下，所述被取代或未被取代的(^至^。的烷基可以是_(CQQ'） PQ"，以及Q、Q'和Q"是氫(-H)或 氟(-F)，以及p可以是1至10。
[0043] 所述式2、3和4的單元是氟化化合物，因此各自含有至少一個氟取代基。
[0044] 具體地丄是直接鍵~亞烷基~亞烯基~亞炔基廠以^^'從⑴礦礦'以^或-⑶-Ar-，而且此處，
[0045] R、R'、R"和R"'彼此相同或不同，而且各自獨立地是氫、烷基或鹵基，
[0046] r 和s是0至3，
[0047] t是1至5,以及
[0048] Ar是亞芳基或雜亞芳基。
[0049]根據(jù)本申請的一個示例性實施方案，L是-(CH2 )m[ (CF2) 20 (CF2) 2) n-。
[0050] m和η是0至5的整數(shù)。
[0051 ] s和r可以是s+r > 1。
[0052] 所述亞烷基是具有1至20個碳原子的亞烷基，所述亞烯基是具有2至20個碳原子的 亞烯基，所述亞炔基是具有2至20個碳原子的亞炔基，但這些基團并不局限于此。
[0053]所述三價芳香族環(huán)基是三價芳基，而且所述芳基的碳原子數(shù)可以是6至60，具體地 6至40,以及更具體地6至25。所述芳基的具體實例包括苯基、聯(lián)苯基、三苯基、萘基、蒽基、屈 基(chrysenyl)、菲基、茈基、熒蒽基、苯并菲基、葩基、芘基、并四苯基、并五苯基、芴基、茚 基、苊基、芴基等或它們的稠環(huán)，但并不局限于此。
[0054]所述三價雜環(huán)基包括S、0或N作為雜原子，而且其碳原子數(shù)可以是2至60，具體地2 至40，以及更具體地3至25。所述雜環(huán)基的具體實例包括吡啶基、吡咯基、嘧啶基、噠嗪基、呋 喃基、噻吩基、咪唑基、吡唑基、噁唑基、異噁唑基、噻唑基、異噻唑基、三唑基、呋咕基、噁二 唑基、噻二唑基、二硫唑基、四唑基、吡喃基、噻喃基、二嗪啉基、噁嗪基、噻嗪基、二噁英基、 三嗪基、四嗪基、喹啉基、異喹啉基、喹唑啉基、異喹唑啉基、萘啶基、吖啶基、菲啶基、咪唑并 吡啶基、二喹啉基、三氮雜茚基、吲哚基、中氮茚基、苯并噻唑基、苯并噁唑基、苯并咪唑基、 苯并噻吩基團、苯并呋喃基團、二苯并噻吩基團、二苯并呋喃基團、咔唑基、苯并咔唑基、吩 嗪基等或它們的稠環(huán)，但并不局限于此。
[0055] 所述亞芳基是二價芳基，而且所述芳基的碳原子數(shù)為6至60，具體地6至40，以及更 具體地6至25。所述芳基的具體實例包括苯基、聯(lián)苯基、三苯基、萘基、蒽基、屈基、菲基、茈 基、熒蒽基、苯并菲基、葩基、芘基、并四苯基、并五苯基、芴基、茚基、苊基、芴基等或它們的 稠環(huán)，但并不局限于此。
[0050]所述雜亞芳基是二價雜芳基，所述雜芳基包括S、0或N作為