近日，大連化物所儲能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張宏俊研究員等合作，在液流電池用離子選擇性膜研究中取得新進(jìn)展，開發(fā)出一種新型的界面交聯(lián)策略，制備出厚度僅為3 μm的高穩(wěn)定性超薄聚合物膜材料，將全釩液流電池的工作電流密度提升至300 mA/cm2。
聚合物離子選擇性膜因其成本低、易于規(guī)?；苽涞葍?yōu)勢，是目前市場上主流的液流電池膜材料。然而，與具有周期性和規(guī)整有序孔結(jié)構(gòu)的無機(jī)納米多孔材料（如MOF、COF）不同，傳統(tǒng)方法制備的聚合物膜通常具有不規(guī)則無序孔結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)液流電池活性物質(zhì)和載流子的精確篩分，存在選擇性和滲透性相互制約的Trade-off效應(yīng)。
為突破這一限制，李先鋒團(tuán)隊(duì)提出了一種界面交聯(lián)新策略，通過將聚合物交聯(lián)反應(yīng)限制在有限的界面空間內(nèi)，制備出由納米級分離層和支撐層組成的超薄聚合物膜。測試結(jié)果表明，分離層中穩(wěn)健的共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了膜的機(jī)械穩(wěn)定性，其橫向拉伸強(qiáng)度和縱向硬度均優(yōu)于商業(yè)化的Nafion 212膜，使的所開發(fā)聚合物膜材料的厚度可以降低至3 μm。
研究發(fā)現(xiàn)，該膜材料分離層的孔徑分布在1.8 ?至5.4 ?之間，與具有規(guī)整孔道結(jié)構(gòu)的無機(jī)納米多孔材料相似，因此，被稱為“準(zhǔn)有序”網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種孔徑分布恰好位于液流電池活性物質(zhì)和載流子的尺寸之間，實(shí)現(xiàn)了對活性物質(zhì)的精確篩分和對載流子的快速傳導(dǎo)。同時(shí)，納米級分離層及膜整體厚度的降低進(jìn)一步減少了離子傳輸阻力，使所開發(fā)的超薄膜在寬pH范圍內(nèi)均表現(xiàn)出超低的面電阻和活性物質(zhì)滲透系數(shù)，突破了聚合物膜選擇性和滲透性的Trade-off效應(yīng)。
在實(shí)際應(yīng)用測試中，團(tuán)隊(duì)將該膜材料應(yīng)用于全釩液流電池，在300 mA/cm2的高電流密度下，電池的能量效率超過80%。此外，該超薄膜還可以應(yīng)用于堿性鋅鐵液流電池和水系有機(jī)液流電池，在高電流密度下均展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。通過改變交聯(lián)劑的類型，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了界面交聯(lián)策略的普適性。
該研究為設(shè)計(jì)具有高機(jī)械穩(wěn)定性、超低面電阻和滲透系數(shù)的超薄膜提供了新思路，有利于提升多種水系液流電池的工作電流密度和功率密度。
上述成果以“Ultrathin membranes prepared through interfacial polymer cross-linking for selective and fast ion transport”為題，于近日發(fā)表在《自然-化學(xué)工程》（Nature Chemical Engineering）上。該工作的共同第一作者為DNL17博士研究生劉曉楠、已畢業(yè)博士石夢奇、廖晨伊副研究員。以上工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“基于高比例可再生能源的儲能關(guān)鍵技術(shù)與示范”、中國科學(xué)院青促會等項(xiàng)目的支持。
