【中國科學報】高選擇透過性超薄分離層復合離子傳導膜研制成功

  來源:《中國科學報》

  發布時間:2020-01-09

  近日,大連化物所李先鋒研究員、張華民研究員團隊開發了一種超薄分離層復合離子傳導膜,解決了離子傳導膜領域“高選擇性”與“高傳導率”不可兼得的技術難題。該膜可大幅提升液流電池功率,降低電堆成本。研究成果發表于《自然-通訊》。

  離子傳導膜是液流電池的關鍵材料之一。膜的選擇性越高,電池庫倫效率越高;膜的傳導率越高,電池電壓效率越高;而庫倫效率與電壓效率共同影響電池的能量效率。

  研發出兼具高選擇性與高傳導率的離子傳導膜是這一領域的研究難點。傳統的多孔離子傳導膜通過扭曲的孔道來傳導離子。想提高膜的選擇性,必須提高膜整體的致密程度,而“致密”會導致膜的貫通性下降,進而導致傳導率下降,所以對于傳統多孔離子傳導膜來說,“高選擇性”與“高傳導率”可謂“魚”和“熊掌”,不可兼得。

  研究團隊最新研制的超薄分離層的離子傳導膜由致密的薄分離層和孔道貫通性良好的支撐層組成。足夠薄且致密的分離層能夠在保證高選擇性的同時實現高傳導率,支撐層則可提供機械強度。其分離層由聚酰胺交聯網絡構成,厚度僅為180 nm。交聯的聚酰胺高分子網絡就像一張結實的漁網,把尺寸較大的離子阻擋在外,尺寸較小的離子可順利通過,從而實現離子高效篩分,利用該膜材料組裝的單電池在260 mA/cm2的電流密度下,能量效率超過80%。

  為了證實這一機理,該團隊與中科院武漢物理與數學研究所鄭安民研究員合作,通過理論計算深入研究了聚酰胺分離層中質子傳遞方式,結果顯示質子可以通過聚酰胺網絡中的水分子鏈和聚酰胺骨架上的羧基以格羅圖斯機理跳躍傳遞。該機理為設計高性能離子傳導膜提供了新的思路。

  相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-019-13704-2

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