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我國科學(xué)家制備出高性能液流電池用超薄聚合物膜材料
2025年06月23日 11:42:52
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：681
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究人員研發(fā)出厚度僅為3微米的高穩(wěn)定性超薄聚合物膜材料，將全釩液流電池的工作電流密度提升至300毫安每平方厘米，電池的能量效率超過80%。
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李先鋒研究員、魯文靜項目研究員等與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張宏俊研究員合作，在液流電池用離子選擇性膜研究中取得新進(jìn)展，開發(fā)出一種新型的界面交聯(lián)策略，制備出了厚度僅為3微米的高穩(wěn)定性超薄聚合物膜材料，將全釩液流電池的工作電流密度提升至300毫安每平方厘米。這一突破無疑為液流電池的發(fā)展注入了強(qiáng)勁動力，有望推動其在能源存儲領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。相關(guān)成果以“Ultrathin membranes prepared through interfacial polymer cross-linking for selective and fast ion transport”為題，發(fā)表在《自然·化學(xué)工程》(Nature Chemical Engineering)上。
液流電池一種新型的蓄電池，其利用正負(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)使用壽命長的特點，是一種新能源產(chǎn)品。液流電池憑借其獨特的優(yōu)勢，在儲能領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。然而，長期以來，液流電池的發(fā)展一直受到關(guān)鍵材料性能的制約，其中聚合物膜材料的性能優(yōu)劣直接影響著電池的整體性能與成本效益。
聚合物離子選擇性膜因其成本低、易于規(guī)?；苽涞葍?yōu)勢，是目前市場上主流的液流電池膜材料。然而，傳統(tǒng)方法制備的聚合物膜通常具有不規(guī)則無序孔結(jié)構(gòu)，難以實現(xiàn)液流電池活性物質(zhì)和載流子的精確篩分。
為解決上述問題，李先鋒團(tuán)隊提出了一種界面交聯(lián)新策略，通過將聚合物交聯(lián)反應(yīng)限制在有限的界面空間內(nèi)，制備出由納米級分離層和支撐層組成的超薄聚合物膜。測試結(jié)果表明，分離層中穩(wěn)健的共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了膜的機(jī)械穩(wěn)定性，即便是在膜厚度降低至3微米條件下，均展現(xiàn)出良好的機(jī)械強(qiáng)度。
研究還發(fā)現(xiàn)，該膜材料分離層的孔徑分布在1.8埃至5.4埃之間，與具有規(guī)整孔道結(jié)構(gòu)的無機(jī)納米多孔材料相似。這種孔徑分布恰好位于液流電池活性物質(zhì)和載流子的尺寸之間，實現(xiàn)了對活性物質(zhì)的精確篩分和對載流子的快速傳導(dǎo)。同時，納米級分離層及膜整體厚度的降低進(jìn)一步減少了離子傳輸阻力，使得超薄膜在寬pH范圍內(nèi)均表現(xiàn)出超低的面電阻和活性物質(zhì)滲透系數(shù)。
為驗證其應(yīng)用可行性，團(tuán)隊將該膜材料應(yīng)用于全釩液流單電池，在300毫安每平方厘米的高電流密度下，電池的能量效率超過80%。此外，該超薄膜還可以應(yīng)用于堿性鋅鐵液流電池和水系有機(jī)液流電池，在高電流密度下均展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。通過改變交聯(lián)劑的類型，團(tuán)隊進(jìn)一步驗證了界面交聯(lián)策略的普適性。
該研究為設(shè)計具有高機(jī)械穩(wěn)定性、超低面電阻和滲透系數(shù)的超薄膜提供了新思路，有利于提升多種水系液流電池的工作電流密度和功率密度。隨著這種高性能超薄聚合物膜材料的進(jìn)一步優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，液流電池有望迎來大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展，為我國構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系貢獻(xiàn)重要力量。
素材來源：科技日報
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