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            我所研制出高選擇透過性超薄分離層複合離子傳導膜

              近日,我所儲能技術研究部(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複合離子傳導膜,該膜兼具高離子傳導率與高離子選擇性,可大幅提升液流電池性能。

              離子傳導膜材料是液流電池的關鍵材料,其作用是阻隔兩端活性物質,同時傳遞載流子形成電池回路。該團隊前期突破了傳統的“離子交換傳遞”機理束縛,原創性地提出不含離子交換基團的“離子篩分傳導”概念(Energy. Environ. Sci.,2011,4,1676),將多孔離子傳導隔膜引入液流電池。並在此基礎上圍繞高性能多孔離子傳導膜結構設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性Trade-Off效應,開發出兼具高選擇性與高傳導性的離子傳導膜材料,是液流電池用多孔離子傳導膜領域的研究難點。傳統相轉化所制備的多孔離子傳導膜材料一般爲非對稱結構,孔曲度高、貫通性較差,離子傳導率較低。相比之下,複合膜具有能夠單獨調控的選擇性分離層和支撐層結構,有望突破膜選擇性與傳導率之間的Trade-Off效應,進一步提升液流電池性能。

              該工作利用界面聚合技術制備了具有超薄分離層的分離膜。該分離膜由聚酰胺交聯網絡構成,厚度僅爲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,聚酰胺交聯網絡內部的自由體積介于水合質子與水合釩離子之間,能夠高效地阻擋釩離子,同時傳遞質子,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Grotthuss機理跳躍傳遞。這一研究結果爲設計高性能離子傳導膜提供了新的思路。

              相關研究成果發表于《自然-通訊》(Nature Communications)。本項目得到了國家自然科學基金、中科院中國科學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。(文/圖 戴卿)

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