中國儲能網(wǎng)訊：近日，中國科學院大連化物所儲能技術研究部（DNL17）李先鋒研究員團隊在液流電池離子傳導膜（ICM）研究方面取得新進展。團隊以膜的離子傳遞機理研究為基礎，根據(jù)機理指導膜結構設計，大幅提升膜的性能，再對膜進行中試放大，在酸性和堿性液流電池電堆中均取得了優(yōu)異的性能。這項工作打通了從基礎研究到實際應用的路徑，對接下來的應用性研究具有重要的借鑒意義。
液流電池是可再生能源廣泛應用和未來實現(xiàn)零碳排放最有前景的大規(guī)模儲能技術之一。在寬pH范圍內具有高穩(wěn)定性和離子電導率的ICM對于提高液流電池的性能至關重要。研究人員對ICMs的材料和結構設計進行了大量的研究；然而，由于對離子傳輸機制缺乏了解，液流電池性能的進一步提高受到限制。最重要的是，學術研究和產(chǎn)業(yè)化之間存在鴻溝，將基礎研究與實際應用聯(lián)系起來的工作非常罕見。
在本工作中，我們報告了一個聚苯并咪唑（PBI）膜從機理研究到中試放大的案例。通過對膜的離子傳遞進行系統(tǒng)的測量，我們發(fā)現(xiàn)PBI膜具備兩性離子傳遞性質，這導致其無論在酸性還是堿性溶液中，都會由于高分子骨架的質子化或去質子化，對質子或氫氧根產(chǎn)生強烈的Donnan排斥效應，而質子與氫氧根恰恰是具有高淌度的離子，這一排斥作用降低了膜的電導率。為了解決這一問題，我們采用酸溶脹法增大PBI膜分子鏈間距，削弱Donnan效應，同時增大膜內含水量，使水分子在膜內形成連續(xù)的氫鍵網(wǎng)絡，為質子的Grotthuss跳躍傳遞提供有效的傳遞路徑，從而大幅提升質子或氫氧根的膜內傳導率。接下來，我們將酸溶脹的PBI膜進行放大制備，并組裝電堆進行中試放大，組裝酸溶脹的PBI的全釩液流電池電堆和堿性鋅鐵液流電池電堆均展現(xiàn)了優(yōu)異的電池效率和循環(huán)穩(wěn)定性，說明酸溶脹的PBI膜具有廣泛的pH適用性。在這項工作中，我們闡明了離子傳輸機理與實際應用之間的關系，這對液流電池的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。
相關研究成果以“High-Performance PBI Membranes for FlowBatteries: From Transport Mechanism to Pilot Plant”為題，于近日在《能源與環(huán)境科學》(Energy & Environmental Science)上。該工作的第一作者是我部2016級博士研究生戴卿。上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院電化學儲能技術工程實驗室、中國科學院A類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”等項目的支持。
