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高選擇透過性分離層復合離子傳導膜提升液流電池性能

儀表研發 2020年01月09日 13:10:59 來源:儀表網人氣:21836
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  【儀表網 儀表研發】近日,中國科學院大連化學物理研究所儲能技術研究部(DNL17)研究員李先鋒、張華民團隊研制出高選擇透過性超薄分離層復合離子傳導膜,該膜兼具高離子傳導率與高離子選擇性,可大幅提升液流電池性能。
 
  電化學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儲能裝置,正負極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池,簡稱釩電池,其荷電狀態 100%時電池的開路電壓可達 1.5 V。
 
  液流電池一種新的蓄電池,液流電池是利用正負極電解液分開,各自循環的一種高性能蓄電池,具有容量高、使用領域(環境)廣、循環使用壽命長的特點,是一種新能源產品。氧化還原液流電池是一種正在積極研制開發的新型大容量電化學儲能裝置,它不同于通常使用固體材料電極或氣體電極的電池,其活性物質是流動的電解質溶液,它的特點是規模化蓄電,在廣泛利用可再生能源的呼聲高漲形勢下,可以預見,液流電池將迎來一個快速發展的時期。
 
  離子傳導膜材料是液流電池的關鍵材料,其作用是阻隔兩端活性物質,同時傳遞載流子形成電池回路。該團隊前期突破了傳統的“離子交換傳遞”機理束縛,原創性地提出不含離子交換基團的“離子篩分傳導”概念(Energy. Environ. Sci.,2011,4,1676),將多孔離子傳導隔膜引入液流電池。并在此基礎上圍繞高性能多孔離子傳導膜結構設計開展了大量研究工作,取得了系列進展。
 
  如何打破膜的離子選擇性與離子傳導性Trade-Off效應,開發出兼具高選擇性與高傳導性的離子傳導膜材料,是液流電池用多孔離子傳導膜領域的研究難點。傳統相轉化所制備的多孔離子傳導膜材料一般為非對稱結構,孔曲度高、貫通性較差,離子傳導率較低。相比之下,復合膜具有能夠單獨調控的選擇性分離層和支撐層結構,有望突破膜選擇性與傳導率之間的Trade-Off效應,進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單元中含有酰胺基團的高聚物的總稱。聚酰胺可由內酸胺開環聚合制得,也可由二元胺與二元酸縮聚等得到的。聚酰胺(PA)是指主鏈節含有極性酰胺基團(-CO-NH-)的高聚物。最初用作制造纖維的原料,后來由于PA具有強韌、耐磨、自潤滑、使用溫度范圍寬成為目前工業中應用廣泛的一種工程塑料。PA廣泛用來代替銅、有色金屬制作機械、化工、電器零件,如柴油發動機燃油泵齒輪、水泵、高壓密封圈、輸油管等。
 
  該工作利用界面聚合技術制備了具有超薄分離層的分離膜。該分離膜由聚酰胺交聯網絡構成,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,聚酰胺交聯網絡內部的自由體積介于水合質子與水合釩離子之間,能夠高效地阻擋釩離子,同時傳遞質子,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,該團隊與中科院武漢物理與數學研究所研究員鄭安民合作,通過理論計算深入研究了聚酰胺分離層中質子傳遞方式,結果顯示,質子可以通過聚酰胺網絡中的水分子鏈和聚酰胺骨架上的羧基以Grotthuss機理跳躍傳遞。這一研究結果為設計高性能離子傳導膜提供了新的思路。
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