來源：《央廣網(wǎng)》
發(fā)布時(shí)間：2020-01-09
央廣網(wǎng)大連1月9日消息（記者賈鐵生 通訊員戴卿）近日，中科院大連化物所李先鋒研究員、張華民研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種超薄分離層復(fù)合離子傳導(dǎo)膜，解決了離子傳導(dǎo)膜領(lǐng)域“高選擇性”與“高傳導(dǎo)率”不可兼得的技術(shù)難題。該膜可大幅提升液流電池功率，降低電堆成本。
離子傳導(dǎo)膜是液流電池的關(guān)鍵材料之一。膜的選擇性越高，則電池庫倫效率越高；膜的傳導(dǎo)率越高，則電池電壓效率越高；而庫倫效率與電壓效率共同影響電池的能量效率。
然而，開發(fā)出兼具高選擇性與高傳導(dǎo)率的離子傳導(dǎo)膜是這一領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。傳統(tǒng)的多孔離子傳導(dǎo)膜通過扭曲的孔道來傳導(dǎo)離子。想提高膜的選擇性，必須提高膜整體的致密程度，而“致密”會(huì)導(dǎo)致膜的貫通性下降，進(jìn)而導(dǎo)致傳導(dǎo)率下降，所以對(duì)于傳統(tǒng)多孔離子傳導(dǎo)膜來說，“高選擇性”與“高傳導(dǎo)率”可謂“魚”和“熊掌”，不可兼得。
此次開發(fā)的復(fù)合離子傳導(dǎo)膜由致密的薄分離層和孔道貫通性良好的支撐層組成。足夠薄且致密的分離層能夠在保證高選擇性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高傳導(dǎo)率，支撐層則可提供機(jī)械強(qiáng)度。
該工作利用界面聚合技術(shù)制備了具有超薄分離層的離子傳導(dǎo)膜，其分離層由聚酰胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，厚度僅為180 nm。交聯(lián)的聚酰胺高分子網(wǎng)絡(luò)就像一張結(jié)實(shí)的漁網(wǎng)，把尺寸較大的離子阻擋在外，尺寸較小的離子可順利通過，從而實(shí)現(xiàn)離子高效篩分，網(wǎng)住高選擇性的“魚”。超薄的厚度使得離子可以快速通過，獲得高傳導(dǎo)率這一“熊掌”。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，為了證實(shí)這一機(jī)理，該團(tuán)隊(duì)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(jì)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格羅圖斯機(jī)理跳躍傳遞。該機(jī)理為設(shè)計(jì)高性能離子傳導(dǎo)膜提供了新的思路。
李先鋒研究員、張華民研究員團(tuán)隊(duì)長期從事液流電池膜的科學(xué)研究與材料開發(fā)工作，前期原創(chuàng)性地提出“離子篩分傳導(dǎo)”概念（Energy Environ. Sci., 2011, 4,1676），將多孔離子傳導(dǎo)膜引入到液流電池領(lǐng)域，開展了大量研究工作，取得了系列進(jìn)展。本工作是在傳統(tǒng)多孔離子傳導(dǎo)膜的研究基礎(chǔ)上的又一科技創(chuàng)新成果。
上述最新研究成果發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）上。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院潔凈能源先導(dǎo)科技專項(xiàng)和中科院交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目支持。
