- 高性能電池膜材料研究獲進(jìn)展
- 發(fā)布日期：2022-03-29
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)研究部李先鋒研究員團(tuán)隊(duì)在高性能、低成本堿性體系液流電池用膜材料規(guī)模化制備及應(yīng)用方面取得新進(jìn)展，通過連續(xù)卷對(duì)卷式制膜工藝，實(shí)現(xiàn)了非氟陽(yáng)離子傳導(dǎo)膜的大面積制備，及其在堿性體系液流電池儲(chǔ)能技術(shù)中的應(yīng)用。
該研究團(tuán)隊(duì)基于對(duì)堿性體系離子傳導(dǎo)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及對(duì)離子傳輸機(jī)理的前期研究，通過親電取代反應(yīng)，制備千克級(jí)的磺化聚醚醚酮高分子聚合物樹脂，再利用連續(xù)卷對(duì)卷式制膜工藝，大面積批量制備出非氟陽(yáng)離子交換膜材料，實(shí)現(xiàn)了其在堿性體系液流電池中的應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)采用所研制的膜材料，集成出4千瓦級(jí)堿性鋅鐵液流電池電堆，在80毫安/平方厘米的工作電流密度條件下，電堆能量效率可達(dá)85%以上。
專家稱，這一研究有望提高新一代液流電池性能、加速其從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模應(yīng)用，并對(duì)降低新一代液流電池儲(chǔ)能技術(shù)成本、推進(jìn)液流電池儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)用化進(jìn)程具有積極的促進(jìn)作用。
儲(chǔ)能是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵和支撐技術(shù)，液流電池儲(chǔ)能技術(shù)具有安全、可靠、壽命長(zhǎng)、效率高等優(yōu)勢(shì)，是規(guī)模儲(chǔ)能的首選技術(shù)。其中，降低成本特別是降低液流電池關(guān)鍵材料——離子傳導(dǎo)膜材料成本，是推動(dòng)液流電池的實(shí)用化進(jìn)程的關(guān)鍵之一。
目前，堿性體系液流電池用離子傳導(dǎo)膜的研究十分有限，全氟磺酸離子交換膜(Nafion)由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性，成為目前液流電池乃至堿性體系液流電池的首選膜材料。然而，Nafion膜存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物對(duì)環(huán)境與人類健康危害較大、價(jià)格昂貴，以及在堿性體系下離子傳導(dǎo)率低，導(dǎo)致電池效率低等問題。開發(fā)低成本、結(jié)構(gòu)可控、制備工藝簡(jiǎn)單的非氟類陰離子交換膜有望解決上述問題。
但是，在堿性體系下，傳統(tǒng)非氟類陰離子交換膜——季胺型陰離子傳導(dǎo)膜上的季胺基團(tuán)會(huì)發(fā)生霍夫曼消除和親核取代反應(yīng)，使得該類膜穩(wěn)定性較差。
研究發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)制備的膜材料，因其剛性骨架結(jié)構(gòu)及其電荷特性，而具有優(yōu)異的耐堿穩(wěn)定性，主鏈上離散的磺酸基團(tuán)在膜內(nèi)可形成連續(xù)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使羥基在膜內(nèi)以Grotthuss機(jī)理進(jìn)行快速傳遞，從而提高了膜材料的電導(dǎo)率。
