中国分析测试协会
China Association for Instrumental Analysis

深圳先进院关于离子交换膜在储能领域的研究取得进展

文章来源:中国科学院深圳先进技术研究院
2021-11-25 22:47



  近日,中国科学院深圳先进技术研究院集成所汽车电子研究中心李慧云研究员团队,通过开发新型离子交换膜显著提升了液流电池的循环性能与能量效率。相关研究成果以In Situ Grown Tungsten Trioxide Nanoparticles on Graphene Oxide Nanosheet to Regulate Ion Selectivity of Membrane for High Performance Vanadium Redox Flow Battery为题在线发表于国际知名期刊Advanced Functional Materials(IF: 18.808)上。深圳先进院助理研究员叶家业为论文第一作者,李慧云研究员和材料所先进电子材料研究中心于淑会研究员为共同通讯作者。

  大力发展利用绿色能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的必经之路。到2030年,风能、太阳能等的总装机容量将达到12亿kW以上。而风能、太阳具有不连续、不稳定等特点,需要配套大型储能系统使用。其中,液流电池是一种极具发展潜力的大规模能源存储系统。全钒液流电池(VRFB)具有独立的功率和容量、高可靠性和灵活性,是最有前途的液流电池之一。在液流电池中,离子交换膜用于防止阴极/阳极短路、避免电解质交叉和副反应发生,同时允许质子传导而保持电池电中性。迄今为止,全氟磺酸(PFSA)膜是VRFB中应用最广泛的离子交换膜。但由于PFSA膜的钒离子渗透性严重,导致电池寿命短和性能不理想,阻碍了VRFB进一步应用和发展。

  鉴于此,该团队在前期工作——维功能化碳化硅纳米线复合膜(Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131413)的基础上,开发了一种基于二维纳米杂化材料和聚四氟乙烯增强层的PFSA复合膜,即在氧化石墨烯纳米片表面原位生长三氧化钨纳米颗粒作为填料协同聚四氟乙烯增强层对PFSA进行改性的复合膜。研究结果表明,该复合膜具有:低钒离子渗透率、良好的质子传导率、高离子选择性、优异的机械稳定性和化学稳定性等特点。在120 mA cm–2电流密度下,采用该复合膜的VRFB表现出良好的库伦效率(高于98%)和能量效率(高达88.9%),容量保持率远高于商业化的Nafion 212膜。

  该工作得到了深圳市科技计划项目等资助。同时,感谢喻学锋研究员团队的李佳副研究员、刘志锴博士,杜学敏研究员团队的黄超博士,以及唐永炳研究员团队的周小龙副研究员等在实验测试上的支持。

  论文连接


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复合膜结构以及阻止钒离子渗透示意图