大連化物所液流電池非氟多孔離子傳導(dǎo)膜研究取得系列進展

　　中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲能技術(shù)研究部（DNL17）研究員張華民、李先鋒領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在液流電池非氟多孔離子傳導(dǎo)膜研究方面取得系列進展。

　　該團隊通過研究證實：構(gòu)建交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效地提高膜的選擇性和穩(wěn)定性（Advanced Functional Materials, 2015, 25(17): 2583-2589）。同時，將交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入到非氟多孔離子傳導(dǎo)膜孔結(jié)構(gòu)中，大幅度提高了非氟多孔離子傳導(dǎo)膜在液流電池運行環(huán)境下的選擇性和穩(wěn)定性，所開發(fā)的膜材料在液流電池環(huán)境下連續(xù)運行超過6000循環(huán)，性能保持穩(wěn)定。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Functional Materials上(Advanced Functional Materials, 2016, 26(2), 210-218）。

　　為了解決非氟多孔離子傳導(dǎo)膜選擇性與導(dǎo)電性的矛盾，進一步提高非氟多孔離子傳導(dǎo)膜的性能，該團隊通過組分和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功地開發(fā)出高選擇性、高導(dǎo)電性、低成本的非氟多孔離子傳導(dǎo)膜；所開發(fā)膜材料組裝的單電池在80mA/cm2充放電條件下，能量效率超過90%，并經(jīng)過10,000余次充放電循環(huán)考察，電池性能無明顯衰減，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。該研究結(jié)果被選為封面發(fā)表在Energy & Environmental Science 2016, 9, 441-447，并得到審稿人高度評價。審稿人認(rèn)為，這是來自液流電池權(quán)威研究組具有開拓性的工作，該工作對全釩液流電池的發(fā)展具有長遠(yuǎn)的意義。（This is a ground breaking membrane work in the field of VRB from a well-respected group. Their effort and novelty are to be commended, which will have immediate and long-lasting impact for the vanadium redox flow battery technology）。

　　以上研究成果是該團隊在原創(chuàng)性提出“不含離子交換基團”離子篩分傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上取得的新進展。（Energy & Environmental Science 2013, 6, 776; Energy & Environmental Science 2012,5, 6299; Energy & Environmental Science 2011,4, 1147; Energy & Environmental Science 2011 4,1676; ChemsusChem 6 (2013) 328; J. Mater. Chem. A, 2014,2,9524;Chem. Commun 2014, 50, 4596）。

　　近日，該研究團隊又取得新進展，研究成果以通訊形式在線發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed. 55, 2016, 3058-3062）。

　　該研究團隊突破了傳統(tǒng)的“離子交換傳遞”機理的束縛，原創(chuàng)性地提出了不含離子交換基團的“離子篩分傳導(dǎo)”概念（Energy Environ. Sci. 2011, 4,1676），將多孔離子傳導(dǎo)隔膜引入到液流電池。并在此基礎(chǔ)上圍繞高性能多孔離子傳導(dǎo)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計，開展了大量研究工作，取得了系列進展。（Energy & Environmental Science, 2016, 9, 441-447，Energy & Environmental Science 2013, 6, 776; Energy & Environmental Science 2012,5, 6299; Energy & Environmental Science 2011,4, 1147; Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 2583; Adv. Funct. Mater. 2016，26，210-218）。

　　在液流電池用多孔離子傳導(dǎo)膜研究中，最大的難題在于其離子傳輸機理的研究。傳統(tǒng)相轉(zhuǎn)化所制備的多孔膜材料一般為非對稱結(jié)構(gòu)，孔曲度高、貫通性較差，很難直接驗證“離子篩分傳導(dǎo)”機理。因此，如何精確地制備出孔徑介于質(zhì)子半徑（<0.24nm）和釩離子半徑（>0.6nm）之間，并具有貫通結(jié)構(gòu)的離子傳導(dǎo)膜非常關(guān)鍵。ZSM-35是一種具有FER骨架結(jié)構(gòu)的分子篩，它擁有垂直交叉的二維孔道結(jié)構(gòu)，孔徑（0.35nm至0.54nm）介于質(zhì)子半徑和釩離子半徑之間。為此，該研究團隊成功將其引入到多孔膜結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)了對釩離子和質(zhì)子的精確篩分。采用所制備的膜所組裝的單電池在200mA/cm2充放電條件下，能量效率超過81%。該工作對于高性能多孔離子傳導(dǎo)膜的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

　　該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院卓越青年科學(xué)家、教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等相關(guān)項目資助。