近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李先鋒、項(xiàng)目研究員魯文靜等與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員張宏俊合作，在液流電池用離子選擇性膜研究中取得新進(jìn)展，提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/平方厘米。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-化學(xué)工程》。
聚合物離子選擇性膜因其成本低、易于規(guī)模化制備等優(yōu)勢，是目前市場上主流的液流電池膜材料。然而，與具有周期性和規(guī)整有序孔結(jié)構(gòu)的無機(jī)納米多孔材料不同，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(shí)現(xiàn)液流電池活性物質(zhì)和載流子的精確篩分，存在選擇性和滲透性相互制約的Trade-off效應(yīng)。
為解決上述問題，李先鋒團(tuán)隊(duì)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(jí)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(jià)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，其橫向拉伸強(qiáng)度和縱向硬度均優(yōu)于商業(yè)化的Nafion 212膜。
研究還發(fā)現(xiàn)，該膜材料分離層的孔徑分布在1.8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(shí)現(xiàn)了對(duì)活性物質(zhì)的精確篩分和對(duì)載流子的快速傳導(dǎo)。同時(shí)，納米級(jí)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)。
為了驗(yàn)證其應(yīng)用的可行性，團(tuán)隊(duì)將該膜材料應(yīng)用于全釩液流單電池，在300毫安/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(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了界面交聯(lián)策略的普適性。
該研究為設(shè)計(jì)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。
