中科院寧波材料所在釩電池隔膜方面取得研究進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間： 2015-05-15 11:40:37 來(lái)源：中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)

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[摘要]鑒于當(dāng)前全球環(huán)境污染、化石燃料短缺、能源安全性等問(wèn)題，可再生能源已經(jīng)成為各國(guó)政府和科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)，然而太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性使得它們的發(fā)展和應(yīng)用受到限制。

　　鑒于當(dāng)前全球環(huán)境污染、化石燃料短缺、能源安全性等問(wèn)題，可再生能源已經(jīng)成為各國(guó)政府和科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)，然而太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性使得它們的發(fā)展和應(yīng)用受到限制。全釩氧化還原液流電池（簡(jiǎn)稱(chēng)釩電池），由于具有壽命長(zhǎng)、靈活性好、可深度放電、交叉污染小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種清潔、高效、大規(guī)模的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，為可再生能源的持續(xù)使用提供技術(shù)支持。

　　質(zhì)子交換膜作為釩電池的關(guān)鍵材料，不僅能為正負(fù)極電解液提供H+的傳輸通道而且還能夠阻止正負(fù)極電解液的交叉污染而導(dǎo)致的電池自放電效應(yīng)。質(zhì)子交換膜已經(jīng)成為釩電池發(fā)展的瓶頸，目前，釩電池使用的主要是已經(jīng)商品化了的全氟磺酸型離子交換膜，以Nafion系列膜（美國(guó)，Dupont）為主，Nafion膜在強(qiáng)酸性電解液中比較穩(wěn)定，質(zhì)子傳導(dǎo)率也較高，但是釩離子的滲透現(xiàn)象比較嚴(yán)重，容易導(dǎo)致電池的自放電效應(yīng)降低電池效率，而且價(jià)格昂貴。釩電池的隔膜可分為陰離子交換膜（AEM）和陽(yáng)離子交換膜（PEM），將PEM（比如Nafion膜）經(jīng)過(guò)改性處理應(yīng)用到釩電池中也表現(xiàn)出一定的阻釩性能，由于膜上的帶負(fù)電基團(tuán)能夠吸引帶正電的釩離子，并不能從根本上降低釩離子的滲透率；相對(duì)而言，AEM上帶正電的基團(tuán)與釩離子之間的Donan排斥效應(yīng)能夠有效阻止釩離子的滲透，從根本上阻止膜兩側(cè)的電解液相互交叉污染而導(dǎo)致的自放電效應(yīng)。因此，開(kāi)發(fā)一種質(zhì)子電導(dǎo)率高、阻釩性好、化學(xué)穩(wěn)定好和低成本的AEMs具有非常重要的研究和實(shí)用意義。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所高分子事業(yè)部環(huán)境治理功能膜材料及應(yīng)用團(tuán)隊(duì)釩電池小組已經(jīng)成功制備出可用于釩電池的不同溴化度的含咪唑鹽側(cè)基的聚醚醚砜陰離子交換膜（QIm-PEES-AEMs），為了更好的闡述AEMs“結(jié)構(gòu)-性能”之間的關(guān)系，將制備的AEMs的質(zhì)子電導(dǎo)率、吸水率、溶脹度、穩(wěn)定性、釩離子滲透率及其在釩電池中的電池性能進(jìn)行了測(cè)試，并和Nafion117的相關(guān)性能做了比較。測(cè)試表明，優(yōu)化的聚醚醚砜陰離子交換膜的電導(dǎo)率可達(dá)到7.3 x10-2 S/cm（VS 8.3 x 10-2 S/cm），而釩離子的滲透率僅僅為5.5 x10-9cm2/min（VS 6.49 x 10-7 cm2/min），電流密度為60mA/cm2時(shí)，膜的庫(kù)倫效率達(dá)到93.4% （VS 89.3%），能量效率達(dá)到77.6% （VS 78.8%），獲得了與Nafion117可比擬的電導(dǎo)率和能量效率，以及比Nafion117更低的釩離子滲透率和更好的穩(wěn)定性。值得關(guān)注的是，QIm-PEES-AEMs的制備成本僅為Nafion117膜的1/10且制備過(guò)程簡(jiǎn)單并有效地避免了傳統(tǒng)氯甲基化過(guò)程中致癌試劑氯甲醚的使用。

　　該部分研究工作得到了國(guó)家科技部（2014BAJ02B02）和寧波市科技局（2014B81004，2014S10007）項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。