北京
科技日報記者 張蘊
6月21日，記者從中國科學院大連化學物理研究所獲悉，近日，該所李先鋒研究員、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。相關成果發表在《自然·化學工程》上。
高性能液流電池用超薄聚合物膜材料示意圖。中國科學院大連化學物理研究所供圖
聚合物離子選擇性膜因其成本低、易于規?；苽涞葍瀯荩悄壳笆袌錾现髁鞯囊毫麟姵啬げ牧?。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。
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