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深圳先進(jìn)院關(guān)于離子交換膜在儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究取得進(jìn)展
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所汽車電子研究中心李慧云研究員團(tuán)隊(duì)，通過開發(fā)新型離子交換膜顯著提升了液流電池的循環(huán)性能與能量效率。相關(guān)研究成果以In Situ Grown Tungsten Trioxide Nanoparticles on Graphene Oxide Nanosheet to Regulate Ion Selectivity of Membrane for High Performance Vanadium Redox Flow Battery為題在線發(fā)表于國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials（IF: 18.808）上。深圳先進(jìn)院助理研究員葉家業(yè)為論文第一作者，李慧云研究員和材料所先進(jìn)電子材料研究中心于淑會(huì)研究員為共同通訊作者。
大力發(fā)展利用綠色能源是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的必經(jīng)之路。到2030年，風(fēng)能、太陽(yáng)能等的總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。而風(fēng)能、太陽(yáng)具有不連續(xù)、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，需要配套大型儲(chǔ)能系統(tǒng)使用。其中，液流電池是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。全釩液流電池（VRFB）具有獨(dú)立的功率和容量、高可靠性和靈活性，是最有前途的液流電池之一。在液流電池中，離子交換膜用于防止陰極/陽(yáng)極短路、避免電解質(zhì)交叉和副反應(yīng)發(fā)生，同時(shí)允許質(zhì)子傳導(dǎo)而保持電池電中性。迄今為止，全氟磺酸（PFSA）膜是VRFB中應(yīng)用最廣泛的離子交換膜。但由于PFSA膜的釩離子滲透性嚴(yán)重，導(dǎo)致電池壽命短和性能不理想，阻礙了VRFB進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。
鑒于此，該團(tuán)隊(duì)在前期工作——維功能化碳化硅納米線復(fù)合膜（Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131413）的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于二維納米雜化材料和聚四氟乙烯增強(qiáng)層的PFSA復(fù)合膜，即在氧化石墨烯納米片表面原位生長(zhǎng)三氧化鎢納米顆粒作為填料協(xié)同聚四氟乙烯增強(qiáng)層對(duì)PFSA進(jìn)行改性的復(fù)合膜。研究結(jié)果表明，該復(fù)合膜具有：低釩離子滲透率、良好的質(zhì)子傳導(dǎo)率、高離子選擇性、優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。在120 mA cm–2電流密度下，采用該復(fù)合膜的VRFB表現(xiàn)出良好的庫(kù)倫效率（高于98%）和能量效率（高達(dá)88.9%），容量保持率遠(yuǎn)高于商業(yè)化的Nafion 212膜。
該工作得到了深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目等資助。同時(shí)，感謝喻學(xué)鋒研究員團(tuán)隊(duì)的李佳副研究員、劉志鍇博士，杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)的黃超博士，以及唐永炳研究員團(tuán)隊(duì)的周小龍副研究員等在實(shí)驗(yàn)測(cè)試上的支持。
復(fù)合膜結(jié)構(gòu)以及阻止釩離子滲透示意圖
