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全钒液流电池(钒电池)是一种设计灵活、高效、廉价、环保的储能系统。离子交换膜是液流电池的核心功能材料，但目前商品化的离子交换膜还不能完全满足液流电池的要求。为开发导电性好、钒离子渗透率低且价格便宜的离子交换膜，本论文采用辐射接枝的方法，综合考虑液流电池对离子交换膜的性能要求，在化学性质稳定的含氟聚合物膜基材上，接枝不同的功能性单体以制备适用于液流电池的离子交换膜。系统地研究了接枝条件对合成离子交换膜的结构以及离子交换容量、电导率、钒离子渗透率等基本性能的影响，并综合考察了不同离子交换膜在钒电池上的表现。
在本论文的第一章中，简要介绍了液流电池的设计原理及其对离子交换膜的要求，并对钒电池用离子交换膜的研究工作作了总结。在此基础上，我们介绍了辐射接枝技术的特点及其在离子交换膜制备中的应用，并由此分析了以辐射接枝技术制备适用于钒电池的离子交换膜的可行性和我们的研究目标。
在第二章中，以国产聚四氟乙烯(PTFE)为基材，采用辐射接枝苯乙烯然后磺化的方法合成了含磺酸基的阳离子膜，进一步与Nafion复合制备了新型的阳离子复合膜。结果显示，膜复合后的阻钒性能得到了明显改善，并在钒电解液中表现出较好的稳定性。
为了降低辐射接枝所需的剂量，在第二章及第三章中，以PTFE和聚偏二氟乙烯(PVDF)膜为基材，采用苯乙烯/马来酸酐二元单体辐射共接枝然后磺化的方法在低剂量(低于10 kGy)下合成了新型的阳离子交换膜。结果表明：引入马来酸酐后不仅可有效降低辐射接枝所需的剂量，而且含有磺酸根及羧酸根的二元阳离子交换膜具有更高的离子交换容量和更好的导电性，在抑制钒离子的渗透方面也优于杜邦公司的Nafion膜。
在第四章中，以乙烯与四氟乙烯共聚膜(ETFE)为基材，辐射接枝甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(DMAEMA)，然后通过质子化得到一种新型的阴离子交换膜。结果表明新合成的阴离子交换膜具有较高的离子交换容量、极低的钒离子渗透率，可有效降低钒离子的交叉污染，但这种阴离子膜的电导率偏低，有待进一步改善。
在第五章中，以PVDF膜为基材，共辐射接枝苯乙烯和DMAEMA单体，然后经磺化及质子化处理合成了一种新型的两性离子交换膜。该两性膜在导电性能和阻止钒离子渗透方面表现出较好的综合性能，开路电压可保持60小时以上。然而，DMAEMA接枝链段在磺化过程中会发生较严重的降解，不利于控制两性膜的组成，并对其阻钒性能和稳定性带来不利影响。
在第六章中，以苯乙烯和DMAEMA分别接枝的方法，制备出基于ETFE膜的两性离子交换膜。这种两性膜具有较高的电导率和极低的钒离子渗透系数，其渗透系数仅为Nation117膜的1/200左右；装配这种膜的液流电池开路电压可以保持300小时，且其电流效率和能量效率方面也要比装配Nation117膜的高；电池充放电40个循环后，仍未见明显的效率衰减。
对比前人和国内外同行的工作，我们的工作有以下创新：
首次系统考察了不同种类的离子交换膜的特点，并对其在钒电池中应用的可行性进行了系统的评价。我们利用辐射接枝的方法，通过选取不同的单体和基材，分别制备了阴离子、阳离子和两性离子交换膜，并通过一系列的表征，阐明了它们各自的特点，为液流电池特别是钒电池用离子交换膜的选择和设计提供了较全面的实验基础。
首次研究了基于二元单体的离子交换膜在钒电池中的应用。研究了两种单体的竞聚率、配比等对接枝率、接枝膜组成以及离子交换膜性能的影响。这部分工作为基于合成具有多种官能团的离子交换膜的设计提供了良好的范例。
开发出一种简单可行的两性离子交换膜的制备工艺，即以两步接枝法制备出一种两性离子交换膜。这种膜综合了高电导率和低钒离子渗透率的优点，在钒电池上表现出优良的性能。合成方法简单、经济，为钒电池及其它领域膜材料的设计和生产提供了很好的工作基础。