科创中国

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新材料技术

需求背景

双碳背景下，全球重点发展燃料电池、锂离子电池、储能电池（风力发电、太阳能电池）等，全氟磺酸质子膜是锂电池、钒电池中最关键的材料，它决定了整个电池的性能与使用寿命。由于其成本较高，已成为束缚电池发展与应用的主要因素。因此，开发低成本、高性能的质子交换膜成为电池领域研究的热点。
项目拟围绕燃料电池、储能电池（全钒液流电池、铁铬液流电池）、电解水制氢、氯碱工业电解、富氢水杯等应用领域，开发与之相匹配的质子交换膜。拟解决的关键技术有：
（1）储能电池用质子膜：通过采用合适当量的全氟磺酸交换树脂，共混特定的氟树脂，达到低渗透、拉伸强度大，各向同性、高电导率、性能稳定的目标。
（2）燃料电池用质子膜：结合微孔增强材料，生产复合全氟磺酸质子交换膜，具有厚度薄、拉伸强度大、机械强度高、电导率高、溶胀低、尺寸稳定、含水率高等特点。
（3）氯碱工业电解用质子膜：采用高强度网布作为支撑层，配合合适分子量及交换容量的全氟磺酸树脂，制备复合全氟质子膜，耐强酸强碱，机械强度高、低溶胀率。

需解决的主要技术难题

开发低成本、高性能的质子交换膜。质子交换膜或聚合物电解质膜(PEM)是一种半透膜，通常由离聚物制成并设计用于传导质子，同时充当电子绝缘体和反应物屏障，例如氧气和氢气。这是它们在结合到质子交换膜燃料电池或质子交换膜电解器的膜电极组件(MEA)中时的基本功能：分离反应物和传输质子，同时阻断通过膜的直接电子通路。质子交换膜可以由纯聚合物膜或复合膜制成，其中其他材料嵌入聚合物基质中。最常见和市售的PEM材料之一是杜邦公司的产品氟聚合物(PFSA)Nafion。虽然Nafion是一种像聚四氟乙烯一样具有全氟骨架的离聚物，但还有许多其他结构基序可用于制造用于质子交换膜的离聚物。许多使用聚芳烃聚合物，而其他使用部分氟化聚合物。质子交换膜的主要特点是质子电导率(σ)、甲醇渗透率(P)和热稳定性。质子交换膜燃料电池使用固体聚合物膜（薄塑料膜），当它被水饱和时质子可以透过，但它不传导电子。

期望实现的主要技术目标

（1）各应用领域质子膜厚度、克重达到使用要求。

（2）物理和其它性能：拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率、比重、电导率、氢气透过率、透氢电流密度酸容量达到使用要求。

（3）溶胀性能：含水量、吸水率、厚度溶胀率、线性溶胀率达到使用要求。

需求解析

解析单位：“科创中国”纳米技术专业科技服务团（上海市纳米科技与产业发展促进中心） 解析时间：2023-11-21

李小丽

上海市纳米科技与产业发展促进中心

研究员

综合评价

质子交换膜或聚合物电解质膜是电池的关键材料之一，其结构和性能对电池性能有着显著的影响，高性能的PEM材料对提升电池综合性能起着至关重要的作用。目前高性能PEM材料市场的进口依赖性仍处于较高的水平，对开发低成本、高性能的国产质子交换膜仍具有迫切需求。针对储能锂电池、燃料电池、氯碱工业电解等不同的应用领域，开发与之相匹配的低成本、高性能全氟质子交换膜，对提升各领域的技术发展以及国产PEM材料的市场竞争力具有重要价值和意义。 通过对全氟磺酸交换树脂的分子结构设计和功能型氟树脂的复合可以实现对PEM材料关键性能的提升，建议在优良的力学性能（抗拉强度、穿刺强度等）的基础上，更多关注质子交换膜的孔隙率和透气性的性能调控，以保证结构的稳定性及电导率，重点提升全氟质子交换膜的热稳定性，如耐热收缩能力、闭孔/破膜温度等。更关键的是实现低成本制备技术与工艺的研究和突破，这将决定着其更大的市场价值。低成本、高性能的国产质子交换膜制备技术的成功开发将进一步促进各应用领域的技术发展

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