2025年6月27日 ,中国科学院大连化学物理研究所与中国科学技术大学合作,在液流电池用离子选择性膜研究中取得新进展,提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/平方厘米。相关成果发表在《自然-化学工程》。
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,与具有周期性和规整有序孔结构的无机纳米多孔材料不同,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,存在选择性和渗透性相互制约的Trade-off效应。
为解决上述问题,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,其横向拉伸强度和纵向硬度均优于商业化的Nafion 212膜。
研究还发现,该膜材料分离层的孔径分布在1.8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。
为了验证其应用的可行性,团队将该膜材料应用于全钒液流单电池,在300毫安/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。
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