高選擇透過性分離層復(fù)合離子傳導(dǎo)膜提升液流電池性能

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部(DNL17)研究員李先鋒、張華民團(tuán)隊(duì)研制出高選擇透過性超薄分離層復(fù)合離子傳導(dǎo)膜，該膜兼具高離子傳導(dǎo)率與高離子選擇性，可大幅提升液流電池性能。
 

　　電化學(xué)液流電池一般稱為氧化還原液流電池，是一種新型的大型電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，正負(fù)極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池，簡(jiǎn)稱釩電池，其荷電狀態(tài) 100%時(shí)電池的開路電壓可達(dá) 1.5 V。
 

　　液流電池一種新的蓄電池，液流電池是利用正負(fù)極電解液分開，各自循環(huán)的一種高性能蓄電池，具有容量高、使用領(lǐng)域(環(huán)境)廣、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是一種新能源產(chǎn)品。氧化還原液流電池是一種正在積極研制開發(fā)的新型大容量電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，它不同于通常使用固體材料電極或氣體電極的電池，其活性物質(zhì)是流動(dòng)的電解質(zhì)溶液，它的特點(diǎn)是規(guī)模化蓄電，在廣泛利用可再生能源的呼聲高漲形勢(shì)下，可以預(yù)見，液流電池將迎來一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。
 

　　離子傳導(dǎo)膜材料是液流電池的關(guān)鍵材料，其作用是阻隔兩端活性物質(zhì)，同時(shí)傳遞載流子形成電池回路。該團(tuán)隊(duì)前期突破了傳統(tǒng)的“離子交換傳遞”機(jī)理束縛，原創(chuàng)性地提出不含離子交換基團(tuán)的“離子篩分傳導(dǎo)”概念(Energy. Environ. Sci.，2011，4，1676)，將多孔離子傳導(dǎo)隔膜引入液流電池。并在此基礎(chǔ)上圍繞高性能多孔離子傳導(dǎo)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展了大量研究工作，取得了系列進(jìn)展。
 

　　如何打破膜的離子選擇性與離子傳導(dǎo)性Trade-Off效應(yīng)，開發(fā)出兼具高選擇性與高傳導(dǎo)性的離子傳導(dǎo)膜材料，是液流電池用多孔離子傳導(dǎo)膜領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。傳統(tǒng)相轉(zhuǎn)化所制備的多孔離子傳導(dǎo)膜材料一般為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，孔曲度高、貫通性較差，離子傳導(dǎo)率較低。相比之下，復(fù)合膜具有能夠單獨(dú)調(diào)控的選擇性分離層和支撐層結(jié)構(gòu)，有望突破膜選擇性與傳導(dǎo)率之間的Trade-Off效應(yīng)，進(jìn)一步提升液流電池性能。
 

　　聚酰胺俗稱尼龍(Nylon)，英文名稱Polyamide ，它是大分子主鏈重復(fù)單元中含有酰胺基團(tuán)的高聚物的總稱。聚酰胺可由內(nèi)酸胺開環(huán)聚合制得，也可由二元胺與二元酸縮聚等得到的。聚酰胺(PA)是指主鏈節(jié)含有極性酰胺基團(tuán)(-CO-NH-)的高聚物。初用作制造纖維的原料，后來由于PA具有強(qiáng)韌、耐磨、自潤(rùn)滑、使用溫度范圍寬成為目前工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種工程塑料。PA廣泛用來代替銅、有色金屬制作機(jī)械、化工、電器零件，如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵齒輪、水泵、高壓密封圈、輸油管等。
 

　　該工作利用界面聚合技術(shù)制備了具有超薄分離層的分離膜。該分離膜由聚酰胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，厚度僅為180 nm。該厚度大幅度降低了離子傳遞路徑，提高了膜選擇性。同時(shí)，聚酰胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的自由體積介于水合質(zhì)子與水合釩離子之間，能夠高效地阻擋釩離子，同時(shí)傳遞質(zhì)子，使膜具有高離子選擇性。利用該膜材料組裝的單電池在260 mA/cm2的電流密度下，能量效率超過80%。此外，該團(tuán)隊(duì)與中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研究員鄭安民合作，通過理論計(jì)算深入研究了聚酰胺分離層中質(zhì)子傳遞方式，結(jié)果顯示，質(zhì)子可以通過聚酰胺網(wǎng)絡(luò)中的水分子鏈和聚酰胺骨架上的羧基以Grotthuss機(jī)理跳躍傳遞。這一研究結(jié)果為設(shè)計(jì)高性能離子傳導(dǎo)膜提供了新的思路。