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科研人員利用新型界面交聯(lián)策略制備出高性能液流電池用超薄聚合物膜材料
近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員李先鋒團隊與中國科學技術大學研究員張宏俊等合作，在液流電池用離子選擇性膜研究中取得進展，開發(fā)出新型界面交聯(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，將全釩液流電池工作電流密度提升至300 mA/cm2。
聚合物離子選擇性膜因成本低、易于規(guī)?；苽涞葍?yōu)勢，成為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)整有序孔結構的無機納米多孔材料如MOF、COF不同，傳統(tǒng)方法制備的聚合物膜通常具有不規(guī)則無序孔結構，難以實現(xiàn)液流電池活性物質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。
為突破這一限制，李先鋒團隊提出了界面交聯(lián)新策略，將聚合物交聯(lián)反應限制在有限的界面空間內，制備出由納米級分離層和支撐層組成的超薄聚合物膜。測試結果顯示，分離層中穩(wěn)健的共價交聯(lián)網(wǎng)絡結構提高了膜的機械穩(wěn)定性，其橫向拉伸強度和縱向硬度均優(yōu)于商業(yè)化的Nafion 212膜，可使所開發(fā)的聚合物膜材料厚度降低至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)整孔道結構的無機納米多孔材料相似，被稱為“準有序”網(wǎng)狀交聯(lián)結構。這種孔徑分布恰好位于液流電池活性物質和載流子的尺寸之間，實現(xiàn)了對活性物質的精確篩分以及對載流子的快速傳導。同時，納米級分離層及膜整體厚度降低減少了離子傳輸阻力，使所開發(fā)的超薄膜在寬pH范圍內均表現(xiàn)出超低的面電阻和活性物質滲透系數(shù)，突破了聚合物膜選擇性和滲透性的Trade-off效應。
在實際應用測試中，科研人員將這一膜材料應用于全釩液流電池。研究發(fā)現(xiàn)，在300 mA/cm2高電流密度下，電池能量效率超過80%。同時，該超薄膜可應用于堿性鋅鐵液流電池和水系有機液流電池，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，研究人員進一步驗證了界面交聯(lián)策略的普適性。
上述研究為設計具有高機械穩(wěn)定性、超低面電阻和滲透系數(shù)的超薄膜提供了新思路，有望提升多種水系液流電池的工作電流密度和功率密度。
相關研究成果發(fā)表在《自然-化學工程》（Nature Chemical Engineering）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）等的支持。
