中國儲能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機(jī)遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了蘇州科潤新材料股份有限公司董事長、高工、國家萬人計劃專家楊大偉分享主題報告《液流電池用質(zhì)子交換膜產(chǎn)業(yè)化最新進(jìn)展》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
楊大偉：各位專家、各位企業(yè)同仁，大家上午好！我是蘇州科潤新材料股份有限公司的董事長，下面我想就我們公司做的一些質(zhì)子膜產(chǎn)品的情況跟各位專家做一個簡單的交流。
我們公司做的產(chǎn)品主要是液流用的質(zhì)子交換膜，前面很多專家，包括幾位企業(yè)同仁也都講過液流電池的優(yōu)缺點，我這邊就不多做講述了。我們主要是一個做膜的企業(yè)，我企業(yè)在這個領(lǐng)域有14年的產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)驗，我先簡單跟大家交流一下我們離子膜主要的幾個類型。
離子膜大家普遍都叫它質(zhì)子膜，其實叫質(zhì)子膜還是離子膜是不同的應(yīng)用領(lǐng)域。我們在液流電池里面一般叫它離子膜，我們在燃料電池領(lǐng)域叫它質(zhì)子膜，因為氫離子就是質(zhì)子。我們的膜在離子膜這塊主要分兩類，主要用在液流電池，一類是多孔的離子傳導(dǎo)膜，主要利用納米的離子篩分的機(jī)理進(jìn)行離子的篩分和傳輸。另外一塊就是現(xiàn)在開發(fā)的離子交換膜，從我們公司理解的領(lǐng)域，從氟化和非氟化主要分三類，一類是非氟，一類是部分氟化，一類是全氟的。
離子交換膜，比如說以全氟磺酸離子膜為例，它是通過支鏈上的磺酸根進(jìn)行水和氫離子的傳遞。問我們?yōu)槭裁床捎萌撬針渲鳛殡x子膜主要的材質(zhì)，主要原因是因為我們覺得全氟膜在目前的氧化性強(qiáng)酸性的環(huán)境下，全氟材料才能實現(xiàn)穩(wěn)定性和耐久性的使用。因為從基本原理上來講，碳氟鍵的鍵能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳?xì)滏I的鍵能，同時碳氟鍵的鍵長短，所以它的穩(wěn)定性會更好，這也是為什么市面上目前在普遍采用全氟磺酸膜主要的原因。全氟離子膜不單單用在液流電池領(lǐng)域，也用在很多其他領(lǐng)域，包括現(xiàn)在比較熱的氫燃料電池，電解水制氫，水處理上面的二氧化氯發(fā)生器，包括生物醫(yī)藥氨基酸的精制，還有我們每個人都會接觸到的手機(jī)里面的氰化金鉀，目前也都是這張膜做出來的。目前用量相對較大的是氯堿行業(yè)，主要是電解氯化鈉做氫氧化鈉，產(chǎn)生氯氣和氫氣。另外在電滲析也是如此，模塊里兩端的基膜也是磺酸膜。我們的膜目前分四類，一類是傳統(tǒng)的跟杜邦的211、212、115一直的磺酸膜，一類是用微孔增強(qiáng)材料做增強(qiáng)的氫燃料電池用的質(zhì)子交換膜，還有一類是用網(wǎng)布或其他的材料做的網(wǎng)布類的增強(qiáng)膜，綠堿上用的大部分也都是網(wǎng)布類的增強(qiáng)膜。
簡單介紹一下全氟磺酸膜幾種制備技術(shù)。
最早全氟磺酸膜的制備主要是通過傳統(tǒng)的擠出工藝來做的，最早是美國杜邦公司在七八十年代就發(fā)明出來的雙螺桿擠出法，這個螺桿進(jìn)行熱熔的加工之后拉升成膜。為什么我們沒有采用螺桿擠出的工藝來制備膜，目前大部分都是采用流延工藝。因為全氟磺酸樹脂它本身在高溫下會分解出氫氟酸，而氫氟酸對螺桿的腐蝕性是非常強(qiáng)的，所以說螺桿的要求比較高，都是用鋯材，只有鋯材才能耐到它這樣的腐蝕性，但是因為鋯的成本和它的加工難度非常大，所以螺桿擠出這塊的設(shè)備造價非常高，目前并沒有被廣泛的采用，主要是傳統(tǒng)的一些型號在做。但是它也有它的優(yōu)點，就是不用溶劑，對環(huán)境相對友好，它的缺點也比較明顯，它就是兩方面，橫向拉升和縱向拉升是各項異性的，因為它是一個拉升膜，另外很難與添加劑進(jìn)行結(jié)合，不管是我們用在燃料電池里面還是用在什么電池里面，都會增加一些添加劑在里面，提升它電化學(xué)方面的一些性能。
另外一個就是溶液澆鑄技術(shù)，我們早期，包括很多實驗室高校做的溶液澆鑄成膜，主要是采用全氟磺酸樹脂溶解在溶劑里面，之后結(jié)晶放在機(jī)板上面，放到烘箱里面烘干結(jié)晶成膜。另外一塊就是燃料電池普遍采用的涂布技術(shù)。它在上下兩面涂上全氟磺酸樹脂溶液之后進(jìn)入到烘箱進(jìn)行烘干結(jié)晶成膜。我們做的叫雙面輻射鋼帶流延法，這是我們在2013年開始完成產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的技術(shù)，我們?yōu)槭裁床捎娩搸磉M(jìn)行流延輻射做這個工藝呢？因為傳統(tǒng)的流延工藝一般是在塑料材料，或者是在其他的材料上，它的溫度比較低，我們在鋼帶上進(jìn)行流延潔凈成膜之后，鋼帶的溫度可以到200多度，超過磺酸樹脂的熔點，所以它的結(jié)晶度非常好，強(qiáng)度比較高，這是我們采用工藝的主要特點。這個工藝我們也是申請了國際專利的。
另外就是現(xiàn)在正在開發(fā)的浸漬立爐技術(shù)，這個技術(shù)主要是針對于復(fù)合膜的工藝，可以非?？焖俚爻赡?，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)提高了成膜的效率。目前正常的流延，或者涂布工藝做出來的限速度大概在1米每分鐘，而采用我們這個工藝可以提升到5-10米每分鐘，所以同樣一條生產(chǎn)線的設(shè)備投資可以增加5-10倍的產(chǎn)能，這個技術(shù)我們也正在開發(fā)。同時因為這個技術(shù)可以采用負(fù)壓吸附的工藝，特別對增強(qiáng)膜來講，成膜的孔徑的填充率更高。（圖）這是我們?nèi)撬崮さ幕撬針渲幕窘Y(jié)構(gòu)，我們主鏈?zhǔn)撬姆蚁?，支鏈?zhǔn)腔撬岣?，支鏈的鏈長、鏈短是大家討論比較熱的，都說短鏈的樹脂耐久性更好，長鏈的樹脂耐久性要比短鏈的弱。我們在實際使用過程中并不是這樣的，因為有些可能是從學(xué)術(shù)角度去討論，目前市面上所有的全氟磺酸膜用的都是長鏈結(jié)構(gòu)，包括科潤的，包括杜邦公司都是長鏈的樹脂。為什么采用長鏈的？因為我們的膜如果采用短支鏈的樹脂，短支鏈的樹脂的水溶性是特別好的，而我們的膜基本上都是用在水環(huán)境，不管是液流電池，還是氫燃料電池，氫燃料電池也是真實的一個水環(huán)境，所以在這個環(huán)境里面它的樹脂流失會比較厲害，特別短支鏈的樹脂并不適合用于咱們的電池。像山姆（音）公司現(xiàn)在開發(fā)出來是一個中長鏈的樹脂，它的鏈不是特別長，也不是特別短。
長支鏈它的機(jī)械強(qiáng)度好，水溶性沒有那么強(qiáng)，同時長鏈的樹脂成本也比短支鏈的要低，所以目前我們都在廣泛使用的還是長鏈的樹脂。我們現(xiàn)在自己也在開發(fā)新型的樹脂單體結(jié)構(gòu)，是一個分叉結(jié)構(gòu)，我們采用長鏈樹脂在某一個環(huán)節(jié)增加一些磺酸基團(tuán)來進(jìn)行新型的單體開發(fā)，這個單體我們已經(jīng)進(jìn)入了小時階段。它在不降低樹脂強(qiáng)度的情況下增加膜的磺酸根數(shù)量，（圖）這個是我們到明年年底會開始往市面上去推。
簡單介紹一下我們公司，我們公司最早是在北京成立的，是2008年的時候，我老家是江蘇的，后來因為做產(chǎn)業(yè)化就回到了淮安，從前到后干了14年的時間。在淮安的公司已12年的時間，我們公司現(xiàn)有產(chǎn)能是100萬平米，所以我們的產(chǎn)能供整個液流電池可以做到1GW，如果再往下搭的話，我們還有二期，二期的廠房土地已經(jīng)開始建設(shè)，已經(jīng)做了環(huán)評和安評的規(guī)劃，最終產(chǎn)能可以做到650萬平米。我們現(xiàn)在有蘇州和淮安兩個生產(chǎn)基地，我們在蘇州有40畝地，在淮安有100畝地。目前我們在國內(nèi)液流電池這塊是市場化做得比較好的。我們從2009年開始進(jìn)入液流電池這個領(lǐng)域，到現(xiàn)在，到2016年開始，有一些小批量、小項目的應(yīng)用，到2020年開始有些大項目的應(yīng)用，應(yīng)該說整個的產(chǎn)業(yè)化和市占率還是比較高的。
我們從2020年之后，市面上基本上所有的兆瓦級以上的項目用的都是科潤的離子交換膜，應(yīng)該說這個我們還是感到非常自豪的。從2020年以后，杜邦公司基本上在國內(nèi)液流電池領(lǐng)域就競爭不過我們了。這個是我們跟進(jìn)口產(chǎn)品的對比，我們以現(xiàn)在普遍使用的212膜為例，不管是在機(jī)械性能還是電化學(xué)性能，已經(jīng)不適用于杜邦的公司，而且我們價格便宜，相當(dāng)于它價格的一半。
另外，我們現(xiàn)在也在開發(fā)一些新型的，從膜的制備和膜的結(jié)構(gòu)角度開發(fā)一些新型的膜。這個是我們最近新開漁的21-R系列的膜。這是我們整個電化學(xué)性的表征，我們現(xiàn)在在200電密下能做到83%的能量效率，在250電密下可以做到80%的能量效率。所以說目前膜的趨勢，包括前面金屬所的老師團(tuán)隊也說了，到兩年之后，整個的電密要提高到300以上，我覺得還是有可能實現(xiàn)的。從做膜的單電池來看，我們的電密已經(jīng)可以提到250了，就是單電池這塊。整體電池在循環(huán)壽命包括耐久性、穩(wěn)定性方面也是做了驗證了，目前已經(jīng)超過了5000次的循環(huán)壽命，整體的CE衰減低于1%，應(yīng)該說整個電解液恢復(fù)之后，它的容量也進(jìn)行了恢復(fù)。（圖）這是我們目前的項目情況，在座的做液流電池的基本上也都是我們的客戶，非常感謝這么多年對我們公司的支持。大連的項目應(yīng)該說有一半用的是我們科潤的膜。
下一步液流電池整體的趨勢，整體電密要提到300以上，能量密度也要進(jìn)一步提升，同時溫度需要得到進(jìn)一步拓寬，因此對膜也提出了更高的效率，更高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，更高的電導(dǎo)率，降低膜的內(nèi)阻，降低它由電變熱的損耗，這是我們膜上面的要求。同時對膜的離子選擇性提出了更高的要求，因為膜變薄了，因為膜的導(dǎo)電性變強(qiáng)，離子交換能力變強(qiáng)了，所以釩離子的滲透就會變大，怎么樣去解決釩離子的滲透，提高它效率的問題，也是我們非常關(guān)注的，所以我們也做了很多的小事和添加劑的試驗，進(jìn)一步提升整體抗釩離子滲透能力。同時我們的膜還要有更好的耐久性和更低的成本。因此我們自己從上游原料也做了很多的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的布局。
怎么樣去提升膜這塊的制備水平？剛才講了一個事，從數(shù)字層面開發(fā)新型的單體，做分叉結(jié)構(gòu)的單體，提升膜樹脂本身離子交換能力的性能。二是在膜的制備上，比如說在分散液的制備上做一些改進(jìn)，同時在配方上做一些改進(jìn)，增加一些阻釩的物質(zhì)，同時對制膜液的分散液進(jìn)行處理和改進(jìn)，改變它的結(jié)構(gòu)。（圖）這是我剛才講的下面會開發(fā)的新的工藝，我們已經(jīng)申請過專利，我們從前年開始開發(fā)，但是現(xiàn)在還沒有大規(guī)模采用的技術(shù)，我們傳統(tǒng)使用這種流延，或者涂布工藝，我們現(xiàn)在采用吸附等工藝，它的整體效率和樹脂的填充率會非常高。因為我們的全氟磺酸樹脂的增強(qiáng)膜，這塊主要用在燃料電池，未來也有可能會用在液流電池，微孔增強(qiáng)膜在制備的過程中，孔隙率的填充是非常關(guān)鍵的因素，特別是在氫燃料電池里。如果它的孔隙率填充不均勻，它整體的電阻在面上也是不均勻的，而我們正常的涂布工藝是很難確保每個微孔里面都填充滿樹脂，而這個新型工藝它是采用負(fù)壓吸附的工藝，所以可以把每個微孔里面，把我們的樹脂都填充得比較好，所以它的填充非常高，它的成品率也很高，這樣就會大大降低燃料電池的透氫和液流電池的內(nèi)漏，會大大降低，這個工藝也正在開發(fā)。同時因為它采用這種立爐的工藝進(jìn)行開發(fā)，它可以使用非常高的熱量和很快的速度對它進(jìn)行結(jié)晶干燥的過程，所以它的效率是非常高的。
我們是一個做膜的企業(yè)，我們膜質(zhì)量的好壞不單單是我們本身從原料，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從工藝，從裝備上做的一些工作，同時還需要我們的客戶與我們進(jìn)行配合，通過客戶的反饋不斷地改進(jìn)我們的產(chǎn)品。
非常感謝組委會給我們這個機(jī)會來讓我們宣傳我們的產(chǎn)品、宣傳我們的工藝，同時也非常感謝這么多年客戶的支持，希望液流電池行業(yè)越做越好，越做越大。
