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我国科学家制备出高性能液流电池用超薄聚合物膜材料
2025年06月23日 11:42:52
来源：化工仪器网 点击量：3646
近日，中国科学院大连化学物理研究所研究人员研发出厚度仅为3微米的高稳定性超薄聚合物膜材料，将全钒液流电池的工作电流密度提升至300毫安每平方厘米，电池的能量效率超过80%。
近日，中国科学院大连化学物理研究所李先锋研究员、鲁文静项目研究员等与中国科学技术大学张宏俊研究员合作，在液流电池用离子选择性膜研究中取得新进展，开发出一种新型的界面交联策略，制备出了厚度仅为3微米的高稳定性超薄聚合物膜材料，将全钒液流电池的工作电流密度提升至300毫安每平方厘米。这一突破无疑为液流电池的发展注入了强劲动力，有望推动其在能源存储领域的大规模应用。相关成果以“Ultrathin membranes prepared through interfacial polymer cross-linking for selective and fast ion transport”为题，发表在《自然·化学工程》(Nature Chemical Engineering)上。
液流电池一种新型的蓄电池，其利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池，具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点，是一种新能源产品。液流电池凭借其独特的优势，在储能领域占据着重要地位。然而，长期以来，液流电池的发展一直受到关键材料性能的制约，其中聚合物膜材料的性能优劣直接影响着电池的整体性能与成本效益。
聚合物离子选择性膜因其成本低、易于规模化制备等优势，是目前市场上主流的液流电池膜材料。然而，传统方法制备的聚合物膜通常具有不规则无序孔结构，难以实现液流电池活性物质和载流子的精确筛分。
为解决上述问题，李先锋团队提出了一种界面交联新策略，通过将聚合物交联反应限制在有限的界面空间内，制备出由纳米级分离层和支撑层组成的超薄聚合物膜。测试结果表明，分离层中稳健的共价交联网络结构提高了膜的机械稳定性，即便是在膜厚度降低至3微米条件下，均展现出良好的机械强度。
研究还发现，该膜材料分离层的孔径分布在1.8埃至5.4埃之间，与具有规整孔道结构的无机纳米多孔材料相似。这种孔径分布恰好位于液流电池活性物质和载流子的尺寸之间，实现了对活性物质的精确筛分和对载流子的快速传导。同时，纳米级分离层及膜整体厚度的降低进一步减少了离子传输阻力，使得超薄膜在宽pH范围内均表现出超低的面电阻和活性物质渗透系数。
为验证其应用可行性，团队将该膜材料应用于全钒液流单电池，在300毫安每平方厘米的高电流密度下，电池的能量效率超过80%。此外，该超薄膜还可以应用于碱性锌铁液流电池和水系有机液流电池，在高电流密度下均展现出优异的性能。通过改变交联剂的类型，团队进一步验证了界面交联策略的普适性。
该研究为设计具有高机械稳定性、超低面电阻和渗透系数的超薄膜提供了新思路，有利于提升多种水系液流电池的工作电流密度和功率密度。随着这种高性能超薄聚合物膜材料的进一步优化与产业化应用，液流电池有望迎来大规模商业化发展，为我国构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系贡献重要力量。
素材来源：科技日报
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