中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：液流電池是新能源儲(chǔ)能的關(guān)鍵領(lǐng)域。其中，一種核心膜材料長期被國外高價(jià)含氟膜壟斷，不僅成本高昂，其生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的“永久性”含氟污染物（PFAS）更對環(huán)境和健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
如今，這一困局被來自華東理工大學(xué)化工學(xué)院的師生團(tuán)隊(duì)打破。這支“膜法師”團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出新一代高性能非氟多孔離子傳導(dǎo)膜，不僅性能優(yōu)于國際主流產(chǎn)品，且成本低至進(jìn)口膜售價(jià)的1/16，更從源頭上杜絕了氟污染。如今，在學(xué)校的大力支持下，膜材料已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)到5萬平方米，成功應(yīng)用于全釩、全鐵等多種液流電池體系。
千次測試探索性能最優(yōu)解
2019年上映的電影《黑水》中，全氟辛酸（PFOA）污染致癌的真實(shí)事件讓許多人開始關(guān)注氟污染問題，段瑞丹正是其中之一。眾所周知，液流電池中廣泛使用的全氟磺酸膜（如Nafion膜）正是“永久污染物”的來源之一。選擇讀研方向時(shí)，段瑞丹了解到徐至教授課題組長期從事非氟分子篩膜的研究，并已有多項(xiàng)階段性成果。“這也許能減少氟污染？”好奇的種子在那一刻生根。
我國離子膜行業(yè)長期面臨“卡脖子”問題，不僅材料依賴進(jìn)口，成本高昂，技術(shù)也存在高傳導(dǎo)性與高選擇性難以兼得的瓶頸。帶著環(huán)保信念與技術(shù)追求，許多像段瑞丹一樣的青年加入徐至教授團(tuán)隊(duì)，與志同道合的伙伴們集結(jié)成“膜法師”戰(zhàn)隊(duì)，致力于開發(fā)國產(chǎn)高性能非氟膜。
傳統(tǒng)含氟膜依靠化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行離子交換，而團(tuán)隊(duì)的技術(shù)路徑是利用分子篩規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行“物理篩分”，以求解決離子膜高傳導(dǎo)性與高選擇性難以兼得的固有矛盾。然而，這項(xiàng)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)真正應(yīng)用，還面臨一系列挑戰(zhàn)：分子篩孔徑是否適配、傳導(dǎo)性能能否保障、膜的機(jī)械強(qiáng)度如何維持等，都是未知數(shù)。
在徐至教授與莊林洲副教授的指導(dǎo)下，學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料制備和性能測試等大量工作。為了尋找材料性能的最優(yōu)解，團(tuán)隊(duì)成員不斷查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，僅配方調(diào)整就進(jìn)行了500余次，性能測試超過2000次。
在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)成膜過程中溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的微小剪切力會(huì)“拉扯”膜內(nèi)的分子篩納米片。之后，團(tuán)隊(duì)通過對溫度、風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，巧妙地利用這種剪切力使分子篩有序排列，如同為質(zhì)子修建了一條暢通無阻的“高速公路”，極大地縮短了傳導(dǎo)路徑。
第一片直徑40毫米的非氟分子篩膜樣品成功制備。測試結(jié)果顯示，這種新型非氟多孔膜的導(dǎo)電性能是商業(yè)Nafion膜的2.7倍，而對活性物質(zhì)的滲透率降低近一半，并具備出色的穩(wěn)定性與機(jī)械強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了“低成本、高性能、無氟環(huán)?！钡耐黄?。
600次調(diào)試實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵跨越
將實(shí)驗(yàn)室中的樣品放大到工業(yè)化生產(chǎn)，是團(tuán)隊(duì)面臨的又一重大挑戰(zhàn)。
“我們預(yù)想過困難，但實(shí)際遇到的挑戰(zhàn)還是超出了想象?！倍稳鸬ぬ寡?。
徐至教授指出了問題的關(guān)鍵：“在實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模制備中，很多影響因素可以被忽略。但在工業(yè)化的連續(xù)生產(chǎn)中，納米材料在重力作用下容易發(fā)生沉降和團(tuán)聚，導(dǎo)致膜的厚度、孔結(jié)構(gòu)和填料分布不均勻，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能。”
團(tuán)隊(duì)沒有氣餒，針對這一關(guān)鍵問題，深入研究了分子篩納米片在聚合物基膜中的受力情況，開發(fā)了“恒風(fēng)速變溫”連續(xù)化生產(chǎn)新工藝。
為了找到最合適的溫度分布方式，團(tuán)隊(duì)堅(jiān)守在生產(chǎn)車間，利用紅外熱成像儀捕捉到毫米級(jí)溫差帶，并據(jù)此優(yōu)化溫度控制方案。經(jīng)過5個(gè)多月，600余次參數(shù)調(diào)試，3000余次性能測試，他們終于成功制備出工業(yè)規(guī)格（650 mm寬幅）的非氟多孔膜，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線的關(guān)鍵跨越。
目前，非氟多孔膜已在上海電氣儲(chǔ)能、武漢巨安儲(chǔ)能、江蘇誠翔新能源等多家企業(yè)開展應(yīng)用測試，在全釩、全鐵等液流電池中表現(xiàn)優(yōu)異，展現(xiàn)出廣闊的市場應(yīng)用前景。
在挑戰(zhàn)和實(shí)踐中迎來成長
從實(shí)驗(yàn)室的理論研究，到“挑戰(zhàn)杯”等大賽的舞臺(tái)，再到產(chǎn)業(yè)一線的工程調(diào)試，團(tuán)隊(duì)成員們在一次次挑戰(zhàn)中實(shí)現(xiàn)了全方位的成長。
“挑戰(zhàn)杯”指導(dǎo)教師莊林洲副教授談道：“希望通過實(shí)際問題引導(dǎo)學(xué)生投身科研，既培養(yǎng)解決問題的能力，也加強(qiáng)對國家需求的理解?！蹦壳?，團(tuán)隊(duì)成員已在頂尖期刊發(fā)表一作SCI論文13篇，參與發(fā)表高質(zhì)量論文32篇，手握8項(xiàng)發(fā)明專利，在第十九屆“挑戰(zhàn)杯”上海市大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中斬獲佳績。
未來，段瑞丹選擇繼續(xù)攻讀博士學(xué)位，深耕膜科學(xué)領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)中即將畢業(yè)的成員，也已簽約中石化大連石油化工研究院、華誼中央研究院等企業(yè)，準(zhǔn)備將所學(xué)知識(shí)投身實(shí)際產(chǎn)業(yè)中。
