【央廣網】大連化物所破解離子傳導膜兼具“高選擇性”與“高傳導率”技術難題

          來源:《央廣網》

          發布時間:2020-01-09

          央廣網大連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、張華民研究員團隊開發了一種超薄分離層複合離子傳導膜,解決了離子傳導膜領域“高選擇性”與“高傳導率”不可兼得的技術難題。該膜可大幅提升液流電池功率,降低電堆成本。

          離子傳導膜是液流電池的關鍵材料之一。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,開發出兼具高選擇性與高傳導率的離子傳導膜是這一領域的研究難點。傳統的多孔離子傳導膜通過扭曲的孔道來傳導離子。想提高膜的選擇性,必須提高膜整體的致密程度,而“致密”會導致膜的貫通性下降,進而導致傳導率下降,所以對于傳統多孔離子傳導膜來說,“高選擇性”與“高傳導率”可謂“魚”和“熊掌”,不可兼得。

          此次開發的複合離子傳導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實現高傳導率,支撐層則可提供機械強度。

          該工作利用界面聚合技術制備了具有超薄分離層的離子傳導膜,其分離層由聚酰胺交聯網絡構成,厚度僅爲180 nm。交聯的聚酰胺高分子網絡就像一張結實的漁網,把尺寸較大的離子阻擋在外,尺寸較小的離子可順利通過,從而實現離子高效篩分,網住高選擇性的“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,爲了證實這一機理,該團隊與中科院武漢物理與數學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子傳遞方式,結果顯示質子可以通過聚酰胺網絡中的水分子鏈和聚酰胺骨架上的羧基以格羅圖斯機理跳躍傳遞。該機理爲設計高性能離子傳導膜提供了新的思路。

          李先鋒研究員、張華民研究員團隊長期從事液流電池膜的科學研究與材料開發工作,前期原創性地提出“離子篩分傳導”概念(Energy Environ. Sci., 2011, 4,1676),將多孔離子傳導膜引入到液流電池領域,開展了大量研究工作,取得了系列進展。本工作是在傳統多孔離子傳導膜的研究基礎上的又一科技創新成果。

          上述最新研究成果發表于《自然-通訊》(Nature Communications)上。相關工作得到了國家自然科學基金、中科院潔淨能源先導科技專項和中科院交叉創新團隊等項目支持。

          

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