近日，中国科学(xue)院大(da)连(lian)化学(xue)物理研(yan)究所储(chu)能(neng)(neng)技(ji)术研(yan)究部研(yan)究员李先锋团队在高性(xing)(xing)能(neng)(neng)、低成本碱性(xing)(xing)体(ti)系液流(liu)电池(chi)用膜材料规模化制备及(ji)应用方(fang)面(mian)取得(de)进展，通过连(lian)续卷(juan)对(dui)卷(juan)式制膜工艺，实现了非氟阳(yang)离子传导膜的大(da)面(mian)积制备，以及(ji)其在碱性(xing)(xing)体(ti)系液流(liu)电池(chi)储(chu)能(neng)(neng)技(ji)术中的应用。

储(chu)能(neng)是构建以新能(neng)源为(wei)主体的新型电(dian)力系(xi)统的关键和支(zhi)撑(cheng)技(ji)(ji)术，液(ye)(ye)(ye)流(liu)(liu)电(dian)池储(chu)能(neng)技(ji)(ji)术具(ju)有安全、可靠、寿命(ming)长、效率高等优(you)势(shi)，是规模储(chu)能(neng)的首选技(ji)(ji)术。因此(ci)，降低成(cheng)(cheng)本特别是降低液(ye)(ye)(ye)流(liu)(liu)电(dian)池关键材料——离子(zi)传(chuan)导膜材料成(cheng)(cheng)本，对(dui)于推动液(ye)(ye)(ye)流(liu)(liu)电(dian)池的实用化进程尤为(wei)重要。

目前，碱性(xing)(xing)体(ti)系液流(liu)电(dian)池(chi)用离(li)(li)子传导(dao)(dao)膜(mo)(mo)(mo)的(de)研究十分有(you)限，全氟(fu)磺酸离(li)(li)子交换(huan)膜(mo)(mo)(mo)（Nafion）由(you)于(yu)其(qi)优异的(de)稳(wen)定性(xing)(xing)，成为目前液流(liu)电(dian)池(chi)乃至(zhi)碱性(xing)(xing)体(ti)系液流(liu)电(dian)池(chi)的(de)首(shou)选膜(mo)(mo)(mo)材料(liao)。然而，Nafion膜(mo)(mo)(mo)存在生产(chan)工艺复杂、生产(chan)过(guo)程中的(de)副产(chan)物对环境与人类(lei)(lei)健康危害较大、价格(ge)昂贵，以(yi)及在碱性(xing)(xing)体(ti)系下离(li)(li)子传导(dao)(dao)率(lv)低(di)导(dao)(dao)致电(dian)池(chi)效(xiao)率(lv)低(di)等(deng)问题。开发低(di)成本、结构(gou)可控(kong)、制备工艺简单的(de)非氟(fu)类(lei)(lei)阴(yin)离(li)(li)子交换(huan)膜(mo)(mo)(mo)有(you)望解决上述问题。但是，在碱性(xing)(xing)体(ti)系下，传统非氟(fu)类(lei)(lei)阴(yin)离(li)(li)子交换(huan)膜(mo)(mo)(mo)——季胺(an)型阴(yin)离(li)(li)子传导(dao)(dao)膜(mo)(mo)(mo)上的(de)季胺(an)基团会发生霍夫(fu)曼消除和亲核取代反应，使得该类(lei)(lei)膜(mo)(mo)(mo)稳(wen)定性(xing)(xing)较差。

该工(gong)(gong)(gong)作(zuo)中，研(yan)究(jiu)团队(dui)基(ji)于(yu)对(dui)碱(jian)性(xing)体(ti)系(xi)离(li)子传导膜(mo)(mo)结(jie)构(gou)设(she)计（Nat. Commun.，2018；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；J. Am. Chem. Soc.，2021；Adv. Funct. Mater.，2021），以(yi)及对(dui)离(li)子传输机理(li)的(de)深(shen)刻认(ren)识（Nat. Commun.，2021），通(tong)过亲电(dian)取代反应(ying)，合成(cheng)制备出(chu)公斤级(ji)的(de)磺(huang)化聚(ju)醚(mi)醚(mi)酮高(gao)分(fen)子聚(ju)合物树脂(zhi)，再利(li)用(yong)连(lian)续(xu)卷对(dui)卷式(shi)制膜(mo)(mo)工(gong)(gong)(gong)艺，大面积批(pi)量制备出(chu)非氟(fu)阳离(li)子交换膜(mo)(mo)材(cai)料(liao)，并实(shi)现了(le)其(qi)(qi)在(zai)(zai)碱(jian)性(xing)体(ti)系(xi)液(ye)流(liu)(liu)电(dian)池中的(de)应(ying)用(yong)。研(yan)究(jiu)发现，该膜(mo)(mo)材(cai)料(liao)的(de)刚(gang)性(xing)骨(gu)架结(jie)构(gou)及其(qi)(qi)电(dian)荷特(te)性(xing)使其(qi)(qi)具有优(you)异的(de)耐碱(jian)稳定(ding)性(xing)；主链上离(li)散的(de)-SO3H基(ji)团在(zai)(zai)膜(mo)(mo)内(nei)可形(xing)成(cheng)连(lian)续(xu)的(de)氢键网络，使OH-在(zai)(zai)膜(mo)(mo)内(nei)以(yi)Grotthuss机理(li)进(jin)(jin)行快速(su)传递，提高(gao)了(le)膜(mo)(mo)材(cai)料(liao)的(de)电(dian)导率。此外，研(yan)究(jiu)团队(dui)采用(yong)其(qi)(qi)研(yan)制的(de)膜(mo)(mo)材(cai)料(liao)，集(ji)成(cheng)出(chu)4kW级(ji)碱(jian)性(xing)锌铁液(ye)流(liu)(liu)电(dian)池电(dian)堆(dui)，在(zai)(zai)80mA/cm2的(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)电(dian)流(liu)(liu)密度条件下(xia)，电(dian)堆(dui)能量效(xiao)率可达85%以(yi)上。该研(yan)究(jiu)有望提高(gao)新(xin)一代液(ye)流(liu)(liu)电(dian)池性(xing)能、加速(su)其(qi)(qi)从实(shi)验(yan)室走向规模应(ying)用(yong)，并对(dui)降低新(xin)一代液(ye)流(liu)(liu)电(dian)池储(chu)能技(ji)术(shu)成(cheng)本、推进(jin)(jin)液(ye)流(liu)(liu)电(dian)池储(chu)能技(ji)术(shu)实(shi)用(yong)化进(jin)(jin)程起到促进(jin)(jin)作(zuo)用(yong)。

相关(guan)研(yan)究(jiu)成果以Low-cost Hydrocarbon Membrane Enables Commercial-scale Flow Batteries for Long-duration Energy Storage为题(ti)，于近日(ri)发表(biao)在(zai)《焦耳(er)》（Joule）上。上述工作得到国家自然科(ke)(ke)学基金委、中科(ke)(ke)院电(dian)化学储能技术工程实验室(shi)、中科(ke)(ke)院青年创新促进会等项(xiang)目(mu)的资助。

大连(lian)化物所开发出高性(xing)能、低成本碱性(xing)体(ti)系液(ye)流电池用(yong)膜(mo)材料

来源：中国科学院大连化学物理研究所