高选择透过性分离层复合离子传导膜提升液流电池性能

　　【仪表网 仪表研发】近日，中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部(DNL17)研究员李先锋、张华民团队研制出高选择透过性超薄分离层复合离子传导膜，该膜兼具高离子传导率与高离子选择性，可大幅提升液流电池性能。
 

　　电化学液流电池一般称为氧化还原液流电池，是一种新型的大型电化学储能装置，正负极全使用钒盐溶液的称为全钒液流电池，简称钒电池，其荷电状态 100%时电池的开路电压可达 1.5 V。
 

　　液流电池一种新的蓄电池，液流电池是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池，具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点，是一种新能源产品。氧化还原液流电池是一种正在积极研制开发的新型大容量电化学储能装置，它不同于通常使用固体材料电极或气体电极的电池，其活性物质是流动的电解质溶液，它的特点是规模化蓄电，在广泛利用可再生能源的呼声高涨形势下，可以预见，液流电池将迎来一个快速发展的时期。
 

　　离子传导膜材料是液流电池的关键材料，其作用是阻隔两端活性物质，同时传递载流子形成电池回路。该团队前期突破了传统的“离子交换传递”机理束缚，原创性地提出不含离子交换基团的“离子筛分传导”概念(Energy. Environ. Sci.，2011，4，1676)，将多孔离子传导隔膜引入液流电池。并在此基础上围绕高性能多孔离子传导膜结构设计开展了大量研究工作，取得了系列进展。
 

　　如何打破膜的离子选择性与离子传导性Trade-Off效应，开发出兼具高选择性与高传导性的离子传导膜材料，是液流电池用多孔离子传导膜领域的研究难点。传统相转化所制备的多孔离子传导膜材料一般为非对称结构，孔曲度高、贯通性较差，离子传导率较低。相比之下，复合膜具有能够单独调控的选择性分离层和支撑层结构，有望突破膜选择性与传导率之间的Trade-Off效应，进一步提升液流电池性能。
 

　　聚酰胺俗称尼龙(Nylon)，英文名称Polyamide ，它是大分子主链重复单元中含有酰胺基团的高聚物的总称。聚酰胺可由内酸胺开环聚合制得，也可由二元胺与二元酸缩聚等得到的。聚酰胺(PA)是指主链节含有极性酰胺基团(-CO-NH-)的高聚物。初用作制造纤维的原料，后来由于PA具有强韧、耐磨、自润滑、使用温度范围宽成为目前工业中应用广泛的一种工程塑料。PA广泛用来代替铜、有色金属制作机械、化工、电器零件，如柴油发动机燃油泵齿轮、水泵、高压密封圈、输油管等。
 

　　该工作利用界面聚合技术制备了具有超薄分离层的分离膜。该分离膜由聚酰胺交联网络构成，厚度仅为180 nm。该厚度大幅度降低了离子传递路径，提高了膜选择性。同时，聚酰胺交联网络内部的自由体积介于水合质子与水合钒离子之间，能够高效地阻挡钒离子，同时传递质子，使膜具有高离子选择性。利用该膜材料组装的单电池在260 mA/cm2的电流密度下，能量效率超过80%。此外，该团队与中科院武汉物理与数学研究所研究员郑安民合作，通过理论计算深入研究了聚酰胺分离层中质子传递方式，结果显示，质子可以通过聚酰胺网络中的水分子链和聚酰胺骨架上的羧基以Grotthuss机理跳跃传递。这一研究结果为设计高性能离子传导膜提供了新的思路。