寧波材料所在釩電池隔膜方面取得研究進展

發布時間：2015-04-15 14:11 原文鏈接：寧波材料所在釩電池隔膜方面取得研究進展

　　鑒于當前全球環境污染、化石燃料短缺、能源安全性等問題，可再生能源已經成為各國政府和科學家關注的焦點，然而太陽能、風能、潮汐能等可再生能源的隨機性和不穩定性使得它們的發展和應用受到限制。全釩氧化還原液流電池（簡稱釩電池），由于具有壽命長、靈活性好、可深度放電、交叉污染小、穩定性好等優點，可作為一種清潔、高效、大規模的能量儲存設備，為可再生能源的持續使用提供技術支持。

　　質子交換膜作為釩電池的關鍵材料，不僅能為正負極電解液提供H+的傳輸通道而且還能夠阻止正負極電解液的交叉污染而導致的電池自放電效應。質子交換膜已經成為釩電池發展的瓶頸，目前，釩電池使用的主要是已經商品化了的全氟磺酸型離子交換膜，以Nafion系列膜（美國，Dupont）為主，Nafion膜在強酸性電解液中比較穩定，質子傳導率也較高，但是釩離子的滲透現象比較嚴重，容易導致電池的自放電效應降低電池效率，而且價格昂貴。釩電池的隔膜可分為陰離子交換膜（AEM）和陽離子交換膜（PEM），將PEM（比如Nafion膜）經過改性處理應用到釩電池中也表現出一定的阻釩性能，由于膜上的帶負電基團能夠吸引帶正電的釩離子，并不能從根本上降低釩離子的滲透率；相對而言，AEM上帶正電的基團與釩離子之間的Donan排斥效應能夠有效阻止釩離子的滲透，從根本上阻止膜兩側的電解液相互交叉污染而導致的自放電效應。因此，開發一種質子電導率高、阻釩性好、化學穩定好和低成本的AEMs具有非常重要的研究和實用意義。

　　近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所高分子事業部環境治理功能膜材料及應用團隊釩電池小組已經成功制備出可用于釩電池的不同溴化度的含咪唑鹽側基的聚醚醚砜陰離子交換膜（QIm-PEES-AEMs），為了更好的闡述AEMs“結構-性能”之間的關系，將制備的AEMs的質子電導率、吸水率、溶脹度、穩定性、釩離子滲透率及其在釩電池中的電池性能進行了測試，并和Nafion117的相關性能做了比較。測試表明，優化的聚醚醚砜陰離子交換膜的電導率可達到7.3 x10-2 S/cm（VS 8.3 x 10-2 S/cm），而釩離子的滲透率僅僅為5.5 x10-9 cm2/min（VS 6.49 x 10-7 cm2/min），電流密度為60mA/cm2時，膜的庫倫效率達到93.4% （VS 89.3%），能量效率達到77.6% （VS 78.8%），獲得了與Nafion117可比擬的電導率和能量效率，以及比Nafion117更低的釩離子滲透率和更好的穩定性。值得關注的是，QIm-PEES-AEMs的制備成本僅為Nafion117膜的1/10且制備過程簡單并有效地避免了傳統氯甲基化過程中致癌試劑氯甲醚的使用。

　　該部分研究工作得到了國家科技部（2014BAJ02B02）和寧波市科技局（2014B81004，2014S10007）項目經費的支持。