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近日，中國科學(xué)院大連化物所儲(chǔ)能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員團(tuán)隊(duì)在液流電池離子傳導(dǎo)膜（ICM）研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)以膜的離子傳遞機(jī)理研究為基礎(chǔ)，根據(jù)機(jī)理指導(dǎo)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅提升膜的性能，再對(duì)膜進(jìn)行中試放大，在酸性和堿性液流電池電堆中均取得了優(yōu)異的性能。這項(xiàng)工作打通了從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用的路徑，對(duì)接下來的應(yīng)用性研究具有重要的借鑒意義。


液流電池是可再生能源廣泛應(yīng)用和未來實(shí)現(xiàn)零碳排放最有前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一。在寬pH范圍內(nèi)具有高穩(wěn)定性和離子電導(dǎo)率的ICM對(duì)于提高液流電池的性能至關(guān)重要。研究人員對(duì)ICMs的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究；然而，由于對(duì)離子傳輸機(jī)制缺乏了解，液流電池性能的進(jìn)一步提高受到限制。最重要的是，學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化之間存在鴻溝，將基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來的工作非常罕見。

在本工作中，我們報(bào)告了一個(gè)聚苯并咪唑（PBI）膜從機(jī)理研究到中試放大的案例。通過對(duì)膜的離子傳遞進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)PBI膜具備兩性離子傳遞性質(zhì)，這導(dǎo)致其無論在酸性還是堿性溶液中，都會(huì)由于高分子骨架的質(zhì)子化或去質(zhì)子化，對(duì)質(zhì)子或氫氧根產(chǎn)生強(qiáng)烈的Donnan排斥效應(yīng)，而質(zhì)子與氫氧根恰恰是具有高淌度的離子，這一排斥作用降低了膜的電導(dǎo)率。為了解決這一問題，我們采用酸溶脹法增大PBI膜分子鏈間距，削弱Donnan效應(yīng)，同時(shí)增大膜內(nèi)含水量，使水分子在膜內(nèi)形成連續(xù)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，為質(zhì)子的Grotthuss跳躍傳遞提供有效的傳遞路徑，從而大幅提升質(zhì)子或氫氧根的膜內(nèi)傳導(dǎo)率。接下來，我們將酸溶脹的PBI膜進(jìn)行放大制備，并組裝電堆進(jìn)行中試放大，組裝酸溶脹的PBI的全釩液流電池電堆和堿性鋅鐵液流電池電堆均展現(xiàn)了優(yōu)異的電池效率和循環(huán)穩(wěn)定性，說明酸溶脹的PBI膜具有廣泛的pH適用性。在這項(xiàng)工作中，我們闡明了離子傳輸機(jī)理與實(shí)際應(yīng)用之間的關(guān)系，這對(duì)液流電池的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

相關(guān)研究成果以“High-Performance PBI Membranes for FlowBatteries: From Transport Mechanism to Pilot Plant”為題，于近日在《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy & Environmental Science)上。該工作的第一作者是我部2016級(jí)博士研究生戴卿。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項(xiàng)目的支持。

原標(biāo)題： 液流電池離子傳導(dǎo)膜研究方面新進(jìn)展