近日，大連化物所儲能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員、張華民研究員團隊研制出高選擇透過性超薄分離層復(fù)合離子傳導(dǎo)膜，該膜兼具高離子傳導(dǎo)率與高離子選擇性，可大幅提升液流電池性能。
離子傳導(dǎo)膜材料是液流電池的關(guān)鍵材料，其作用是阻隔兩端活性物質(zhì)，同時傳遞載流子形成電池回路。該團隊前期突破了傳統(tǒng)的“離子交換傳遞”機理束縛，原創(chuàng)性地提出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。
如何打破膜的離子選擇性與離子傳導(dǎo)性Trade-Off效應(yīng)，開發(fā)出兼具高選擇性與高傳導(dǎo)性的離子傳導(dǎo)膜材料，是液流電池用多孔離子傳導(dǎo)膜領(lǐng)域的研究難點。傳統(tǒng)相轉(zhuǎn)化所制備的多孔離子傳導(dǎo)膜材料一般為非對稱結(jié)構(gòu)，孔曲度高、貫通性較差，離子傳導(dǎo)率較低。相比之下，復(fù)合膜具有能夠單獨調(diào)控的選擇性分離層和支撐層結(jié)構(gòu)，有望突破膜選擇性與傳導(dǎo)率之間的Trade-Off效應(yīng)，進一步提升液流電池性能。
該工作利用界面聚合技術(shù)制備了具有超薄分離層的分離膜。該分離膜由聚酰胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，厚度僅為180 nm。該厚度大幅度降低了離子傳遞路徑，提高了膜選擇性。同時，聚酰胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的自由體積介于水合質(zhì)子與水合釩離子之間，能夠高效地阻擋釩離子，同時傳遞質(zhì)子，使膜具有高離子選擇性。利用該膜材料組裝的單電池在260 mA/cm2的電流密度下，能量效率超過80%。此外，該團隊與中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所鄭安民研究員合作，通過理論計算深入研究了聚酰胺分離層中質(zhì)子傳遞方式，結(jié)果顯示，質(zhì)子可以通過聚酰胺網(wǎng)絡(luò)中的水分子鏈和聚酰胺骨架上的羧基以Grotthuss機理跳躍傳遞。這一研究結(jié)果為設(shè)計高性能離子傳導(dǎo)膜提供了新的思路。
界面聚合原理和離子篩分傳遞機理
相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。本項目得到了國家自然科學(xué)基金、中科院中國科學(xué)院潔凈能源先導(dǎo)科技專項和中科院交叉創(chuàng)新團隊等項目支持。（文/圖 戴卿）
