研究制备高性能液流电池超薄聚物膜材料

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员李先锋、项目研究员鲁文静等。与中国科学技术大学张宏俊研究员合作，在液流电池离子选择膜研究方面取得了新的进展，开发了一种新的页面交联策略，只制定了3个厚度。μm(μm)超薄高聚物膜材料性能稳定，将全钒液流电池的工作电流强度提高到300 mA/cm2(每平方厘米毫安)。《自然-化学工程》发表了相关结果。

高聚物离子选择膜是目前市场上主流的液流电池膜材料，因为它具有成本低、容易大规模制备的优点。然而，与具有周期性和整齐有序孔结构的无机纳米多孔结构不同，传统方法制备的高聚物膜通常具有不规则混乱孔结构，难以实现液流电池活性成分和载流子的精确筛选，具有Trade-off效应，选择性和透水性相互平衡。

为了解决上述问题，李先锋团队提出了一种新的界面交联策略，通过将聚合物交联反应限制在有限的界面空间内，制备了由纳米分离层和支撑层组成的超薄聚合物薄膜。测试结果表明，分离层中稳定的共价交联网络结构提高了薄膜的机械稳定性，即使薄膜厚度降低到3。μ在m环境下，均表现出良好的机械强度，其横向抗拉强度和纵向硬度均优于商业Nafion 212膜。

研究还发现，膜材料的分离孔径分布在1.8。 ?(埃)至5.4 ?它们之间类似于无机纳米多孔结构，具有整齐的孔道结构。这种孔径分布位于液流电池的活性成分和载流子的大小之间，完成了活性成分的精确筛选和载流子的快速传导。同时，纳米分离层和膜整体厚度的降低进一步降低了离子传输阻力，促使超薄膜在宽pH范围内表现出超低的表面电阻和活性成分的透水率。

为验证其应用的可行性，团队将该膜材料应用于3000个全钒液流单电池。 mA在/cm2的高电流强度下，电池的能量效率超过80%。另外，这种超薄膜还可用于偏碱锌铁液流电池和水系有机液流电池，在高电流强度下均表现出优异的性能。通过改变交联剂的种类，团队进一步验证了界面交联策略的普遍性。

该研究为超薄膜的设计提供了一个新的思路，具有高机械稳定性、极低电阻和透水性，有利于提高各种水系液流电池的工作电流强度和功率密度。