聚苯并咪唑质子交换膜强化质子传递过程及失效机制研究

This project aims at enhancing the proton selectivity of proton transfer membranes which are the key materials in the field of new energy，using the structure designability of polybenzimidazole (PBI), by adjusting the imidazole ring density, acid doping level, construction or change proton transfer channel to reinforcement the proton transfer in the membrane, and finally to prepare having good overall performance proton transfer membranes and study their inefficacy mechanism by the battery operating data analysis. The main contents of this project include the design and control of PBI structure, the effect of the process and method of enhancing proton transmission on the performance of membranes, the battery’s capacity lost mechanism and solution method. These results will be of significance in providing new insight into the proton conducting mechanism and inefficacy mechanism of the PBI membranes, establishing the relations among the structures of PBI, proton transmission membranes and the cell life time. The achievements of this project will contribute to designing and controlling structures and functions with new theories, new methods and new systems as well as broadening and promoting the interdisciplinary development of polymer, membrane separation and electrochemistry.

本项目着眼于质子传输膜这一新能源领域的关键材料，以提高膜的质子选择性为目标，利用聚苯并咪唑（PBI）的结构可设计性，通过调控咪唑环密度、酸掺杂量、构建或改变质子传输路径等手段强化质子在膜材料中的传递，构筑一类综合性能优良的PBI基质子传输膜，通过实际电池运行数据分析其失效机制。主要研究具有高效质子传输PBI的结构设计及调控，研究强化质子传输的过程和手段等因素对质子传输膜性能的影响，研究PBI基质子传输膜在实际电池使用过程中出现容量损失的机制和防御手段，从而在PBI质子传输膜机理和失效机制等方面获得新认识，建立PBI结构-质子传输膜-电池使用寿命之间的构效关系，为实现聚苯并咪唑聚合物材料的结构设计与调控和功能应用提供新理论、新方法和新体系，为拓宽和推动高分子科学、膜分离以及电化学等交叉学科的发展做出贡献。

当前全球面临严峻的能源危机，在充分开发和利用可再生能源，如风能和太阳能的迫切要求下，全钒液流电池（VFB）作为大容量绿色储能装置再次成为了人们的研究热点。质子传导膜作为全钒液流电池的关键部位之一，其性能优劣决定电池的效率和寿命。本项目针对全钒液流电池使用的聚苯并咪唑（PBI）膜质子电导率偏低的难题，从强化质子传递的机理出发，利用聚苯并咪唑的结构可设计性，合成并制备出具有7种不同结构的聚苯并咪唑膜材料，重点探讨了不同咪唑环密度、功能基团种类、掺杂物质以及膜内部结构等对提升聚苯并咪唑质子传导率的影响，从聚合物结构和电池性能之间的关系，解决了PBI质子率偏低的难题，从而解决了高离子电导率和低阻钒性之间的矛盾，找到了实现了高质子选择性和高电池效率的有效途径，并对电池运行过程中的失效机制进行了探讨，最终实现了聚苯并咪唑膜材料的有效放大，为全钒液流电池隔膜的进一步推广应用打下了坚实的基础。该项目已按计划完成了预期任务并实现了预定目标。