【央广网】大连化物所破解离子传导膜兼具“高选择性”与“高传导率”技术难题

  来源:《央广网》

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  央广网大连1月9日消息(记者贾铁生 通讯员戴卿)近日,中科院大连化物所李先锋研究员、张华民研究员团队开发了一种超薄分离层复合离子传导膜,解决了离子传导膜领域“高选择性”与“高传导率”不可兼得的技术难题。该膜可大幅提升液流电池功率,降低电堆成本。

  离子传导膜是液流电池的关键材料之一。膜的选择性越高,则电池库伦效率越高;膜的传导率越高,则电池电压效率越高;而库伦效率与电压效率共同影响电池的能量效率。

  然而,开发出兼具高选择性与高传导率的离子传导膜是这一领域的研究难点。传统的多孔离子传导膜通过扭曲的孔道来传导离子。想提高膜的选择性,必须提高膜整体的致密程度,而“致密”会导致膜的贯通性下降,进而导致传导率下降,所以对于传统多孔离子传导膜来说,“高选择性”与“高传导率”可谓“鱼”和“熊掌”,不可兼得。

  此次开发的复合离子传导膜由致密的薄分离层和孔道贯通性良好的支撑层组成。足够薄且致密的分离层能够在保证高选择性的同时实现高传导率,支撑层则可提供机械强度。

  该工作利用界面聚合技术制备了具有超薄分离层的离子传导膜,其分离层由聚酰胺交联网络构成,厚度仅为180 nm。交联的聚酰胺高分子网络就像一张结实的渔网,把尺寸较大的离子阻挡在外,尺寸较小的离子可顺利通过,从而实现离子高效筛分,网住高选择性的“鱼”。超薄的厚度使得离子可以快速通过,获得高传导率这一“熊掌”。利用该膜材料组装的单电池在260 mA/cm2的电流密度下,能量效率超过80%。

  此外,为了证实这一机理,该团队与中科院武汉物理与数学研究所郑安民研究员合作,通过理论计算深入研究了聚酰胺分离层中质子传递方式,结果显示质子可以通过聚酰胺网络中的水分子链和聚酰胺骨架上的羧基以格罗图斯机理跳跃传递。该机理为设计高性能离子传导膜提供了新的思路。

  李先锋研究员、张华民研究员团队长期从事液流电池膜的科学研究与材料开发工作,前期原创性地提出“离子筛分传导”概念(Energy Environ. Sci., 2011, 4,1676),将多孔离子传导膜引入到液流电池领域,开展了大量研究工作,取得了系列进展。本工作是在传统多孔离子传导膜的研究基础上的又一科技创新成果。

  上述最新研究成果发表于《自然-通讯》(Nature Communications)上。相关工作得到了国家自然科学基金、中科院洁净能源先导科技专项和中科院交叉创新团队等项目支持。

  

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