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我國科學家制備出高性能液流電池用超薄聚合物膜材料
2025年06月23日 11:42:52
來源：化工儀器網 點擊量：291
近日，中國科學院大連化學物理研究所研究人員研發出厚度僅為3微米的高穩定性超薄聚合物膜材料，將全釩液流電池的工作電流密度提升至300毫安每平方厘米，電池的能量效率超過80%。
近日，中國科學院大連化學物理研究所李先鋒研究員、魯文靜項目研究員等與中國科學技術大學張宏俊研究員合作，在液流電池用離子選擇性膜研究中取得新進展，開發出一種新型的界面交聯策略，制備出了厚度僅為3微米的高穩定性超薄聚合物膜材料，將全釩液流電池的工作電流密度提升至300毫安每平方厘米。這一突破無疑為液流電池的發展注入了強勁動力，有望推動其在能源存儲領域的大規模應用。相關成果以“Ultrathin membranes prepared through interfacial polymer cross-linking for selective and fast ion transport”為題，發表在《自然·化學工程》(Nature Chemical Engineering)上。
液流電池一種新型的蓄電池，其利用正負極電解液分開，各自循環的一種高性能蓄電池，具有容量高、使用領域(環境)廣、循環使用壽命長的特點，是一種新能源產品。液流電池憑借其獨特的優勢，在儲能領域占據著重要地位。然而，長期以來，液流電池的發展一直受到關鍵材料性能的制約，其中聚合物膜材料的性能優劣直接影響著電池的整體性能與成本效益。
聚合物離子選擇性膜因其成本低、易于規模化制備等優勢，是目前市場上主流的液流電池膜材料。然而，傳統方法制備的聚合物膜通常具有不規則無序孔結構，難以實現液流電池活性物質和載流子的精確篩分。
為解決上述問題，李先鋒團隊提出了一種界面交聯新策略，通過將聚合物交聯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。測試結果表明，分離層中穩健的共價交聯網絡結構提高了膜的機械穩定性，即便是在膜厚度降低至3微米條件下，均展現出良好的機械強度。
研究還發現，該膜材料分離層的孔徑分布在1.8埃至5.4埃之間，與具有規整孔道結構的無機納米多孔材料相似。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，實現了對活性物質的精確篩分和對載流子的快速傳導。同時，納米級分離層及膜整體厚度的降低進一步減少了離子傳輸阻力，使得超薄膜在寬pH范圍內均表現出超低的面電阻和活性物質滲透系數。
為驗證其應用可行性，團隊將該膜材料應用于全釩液流單電池，在300毫安每平方厘米的高電流密度下，電池的能量效率超過80%。此外，該超薄膜還可以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出優異的性能。通過改變交聯劑的類型，團隊進一步驗證了界面交聯策略的普適性。
該研究為設計具有高機械穩定性、超低面電阻和滲透系數的超薄膜提供了新思路，有利于提升多種水系液流電池的工作電流密度和功率密度。隨著這種高性能超薄聚合物膜材料的進一步優化與產業化應用，液流電池有望迎來大規模商業化發展，為我國構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系貢獻重要力量。
素材來源：科技日報
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