大連化物所開發(fā)出高性能、低成本堿性體系液流電池用膜材料
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲能技術(shù)研究部研究員李先鋒團(tuán)隊在高性能、低成本堿性體系液流電池用膜材料規(guī)?；苽浼皯?yīng)用方面取得新進(jìn)展，通過連續(xù)卷對卷式制膜工藝，實(shí)現(xiàn)了非氟陽離子傳導(dǎo)膜的大面積制備，以及其在堿性體系液流電池儲能技術(shù)中的應(yīng)用。
儲能是構(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)，液流電池儲能技術(shù)具有安全、可靠、壽命長、效率高等優(yōu)勢，是規(guī)模儲能的首選技術(shù)。因此，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，對于推動液流電池的實(shí)用化進(jìn)程尤為重要。
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)物對環(huán)境與人類健康危害較大、價格昂貴（$500/m2），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。
高性能、低成本堿性體系液流電池用膜材料
本工作中，研究團(tuán)隊基于對堿性體系離子傳導(dǎo)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計（Nat. Commun.，2018；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；J. Am. Chem. Soc. ，2021；Adv. Funct. Mater.，2021），以及對離子傳輸機(jī)理的深刻認(rèn)識（Nat. Commun.，2021），通過親電取代反應(yīng)，合成制備出公斤級的磺化聚醚醚酮高分子聚合物樹脂，再利用連續(xù)卷對卷式制膜工藝，大面積批量制備出非氟陽離子交換膜材料，并實(shí)現(xiàn)了其在堿性體系液流電池中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，該膜材料的剛性骨架結(jié)構(gòu)及其電荷特性使其具有優(yōu)異的耐堿穩(wěn)定性；主鏈上離散的-SO3H基團(tuán)在膜內(nèi)可形成連續(xù)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使OH-在膜內(nèi)以Grotthuss機(jī)理進(jìn)行快速傳遞，提高了膜材料的電導(dǎo)率。此外，研究團(tuán)隊采用所研制的膜材料，集成出4kW級堿性鋅鐵液流電池電堆，在80mA/cm2的工作電流密度條件下，電堆能量效率可達(dá)85%以上。該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，并對降低新一代液流電池儲能技術(shù)成本、推進(jìn)液流電池儲能技術(shù)實(shí)用化進(jìn)程具有積極的促進(jìn)作用。
相關(guān)研究成果以“Low-cost Hydrocarbon Membrane Enables Commercial-scale Flow Batteries for Long-duration Energy Storage”為題，于近日發(fā)表在《焦耳》（Joule）上。該工作的共同第一作者是DNL1705組袁治章研究員和05T5組博士研究生梁力鑫。上述工作得到國家自然科學(xué)基金委、中科院電化學(xué)儲能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項目的資助。
