液流电池离子传导膜研究方面新进展

近日,中国科学院大连化物所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员团队在液流电池离子传导膜(ICM)研究方面取得新进展。团队以膜的离子传递机理研究为基础,根据机理指导膜结构设计,大幅提升膜的性能,再对膜进行中试放大,在酸性和碱性液…

近日,中国科学院大连化物所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员团队在液流电池离子传导膜(ICM)研究方面取得新进展。团队以膜的离子传递机理研究为基础,根据机理指导膜结构设计,大幅提升膜的性能,再对膜进行中试放大,在酸性和碱性液流电池电堆中均取得了优异的性能。这项工作打通了从基础研究到实际应用的路径,对接下来的应用性研究具有重要的借鉴意义。

液流电池是可再生能源广泛应用和未来实现零碳排放最有前景的大规模储能技术之一。在宽pH范围内具有高稳定性和离子电导率的ICM对于提高液流电池的性能至关重要。研究人员对ICMs的材料和结构设计进行了大量的研究;然而,由于对离子传输机制缺乏了解,液流电池性能的进一步提高受到限制。最重要的是,学术研究和产业化之间存在鸿沟,将基础研究与实际应用联系起来的工作非常罕见。

在本工作中,我们报告了一个聚苯并咪唑(PBI)膜从机理研究到中试放大的案例。通过对膜的离子传递进行系统的测量,我们发现PBI膜具备两性离子传递性质,这导致其无论在酸性还是碱性溶液中,都会由于高分子骨架的质子化或去质子化,对质子或氢氧根产生强烈的Donnan排斥效应,而质子与氢氧根恰恰是具有高淌度的离子,这一排斥作用降低了膜的电导率。为了解决这一问题,我们采用酸溶胀法增大PBI膜分子链间距,削弱Donnan效应,同时增大膜内含水量,使水分子在膜内形成连续的氢键网络,为质子的Grotthuss跳跃传递提供有效的传递路径,从而大幅提升质子或氢氧根的膜内传导率。接下来,我们将酸溶胀的PBI膜进行放大制备,并组装电堆进行中试放大,组装酸溶胀的PBI的全钒液流电池电堆和碱性锌铁液流电池电堆均展现了优异的电池效率和循环稳定性,说明酸溶胀的PBI膜具有广泛的pH适用性。在这项工作中,我们阐明了离子传输机理与实际应用之间的关系,这对液流电池的产业化具有重要意义。

相关研究成果以“High-Performance PBI Membranes for FlowBatteries: From Transport Mechanism to Pilot Plant”为题,于近日在《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)上。该工作的第一作者是我部2016级博士研究生戴卿。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院电化学储能技术工程实验室、中国科学院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”等项目的支持。

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