我所開發出高性能、低成本堿性體系液流電池用膜材料

  近日,我所儲能技術研究部(DNL17)李先鋒研究員團隊在高性能、低成本堿性體系液流電池用膜材料規?;苽浼皯梅矫嫒〉眯逻M展,通過連續卷對卷式制膜工藝,實現了非氟陽離子傳導膜的大面積制備,以及其在堿性體系液流電池儲能技術中的應用。

  儲能是構建以新能源為主體的新型電力系統的關鍵和支撐技術,液流電池儲能技術具有安全、可靠、壽命長、效率高等優勢,是規模儲能的首選技術。因此,降低成本特別是降低液流電池關鍵材料——離子傳導膜材料成本,對于推動液流電池的實用化進程尤為重要。

  目前,堿性體系液流電池用離子傳導膜的研究十分有限,全氟磺酸離子交換膜(Nafion)由于其優異的穩定性,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膜存在生產工藝復雜、生產過程中的副產物對環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率低,導致電池效率低等問題。開發低成本、結構可控、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,傳統非氟類陰離子交換膜——季胺型陰離子傳導膜上的季胺基團會發生霍夫曼消除和親核取代反應,使得該類膜穩定性較差。

  本工作中,研究團隊基于對堿性體系離子傳導膜結構設計(Nat. Commun.,2018;Angew. Chem. Int. Ed.,2020;J. Am. Chem. Soc. ,2021;Adv. Funct. Mater.,2021),以及對離子傳輸機理的深刻認識(Nat. Commun.,2021),通過親電取代反應,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,并實現了其在堿性體系液流電池中的應用。研究發現,該膜材料的剛性骨架結構及其電荷特性使其具有優異的耐堿穩定性;主鏈上離散的-SO3H基團在膜內可形成連續的氫鍵網絡,使OH-在膜內以Grotthuss機理進行快速傳遞,提高了膜材料的電導率。此外,研究團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85%以上。該研究有望提高新一代液流電池性能、加速其從實驗室走向規模應用,并對降低新一代液流電池儲能技術成本、推進液流電池儲能技術實用化進程具有積極的促進作用。

  相關研究成果以“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基金委、中科院電化學儲能技術工程實驗室、中國科學院青年創新促進會等項目的資助。(文/圖 袁治章)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.02.016

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