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科研進展

深圳先進院關于離子交換膜在儲能領域的研究取得進展

  

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院集成所汽車電子研究中心李慧云研究員團隊,通過開發新型離子交換膜顯著提升了液流電池的循環性能與能量效率。相關研究成果以In Situ Grown Tungsten Trioxide Nanoparticles on Graphene Oxide Nanosheet to Regulate Ion Selectivity of Membrane for High Performance Vanadium Redox Flow Battery為題在線發表于國際知名期刊Advanced Functional MaterialsIF: 18.808)上。深圳先進院助理研究員葉家業為論文第一作者,李慧云研究員和材料所先進電子材料研究中心于淑會研究員為共同通訊作者。 

  大力發展利用綠色能源是實現“碳達峰、碳中和”目標的必經之路。到2030年,風能、太陽能等的總裝機容量將達到12kW以上。而風能、太陽具有不連續、不穩定等特點,需要配套大型儲能系統使用。其中,液流電池是一種極具發展潛力的大規模能源存儲系統。全釩液流電池(VRFB)具有獨立的功率和容量、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/陽極短路、避免電解質交叉和副反應發生,同時允許質子傳導而保持電池電中性。迄今為止,全氟磺酸(PFSA)膜是VRFB中應用最廣泛的離子交換膜。但由于PFSA膜的釩離子滲透性嚴重,導致電池壽命短和性能不理想,阻礙了VRFB進一步應用和發展。 

  鑒于此,該團隊在前期工作——維功能化碳化硅納米線復合膜(Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131413)的基礎上,開發了一種基于二維納米雜化材料和聚四氟乙烯增強層的PFSA復合膜,即在氧化石墨烯納米片表面原位生長三氧化鎢納米顆粒作為填料協同聚四氟乙烯增強層對PFSA進行改性的復合膜。研究結果表明,該復合膜具有:低釩離子滲透率、良好的質子傳導率、高離子選擇性、優異的機械穩定性和化學穩定性等特點。在120 mA cm–2電流密度下,采用該復合膜的VRFB表現出良好的庫倫效率(高于98%)和能量效率(高達88.9%),容量保持率遠高于商業化的Nafion 212膜。 

  該工作得到了深圳市科技計劃項目等資助。同時,感謝喻學鋒研究員團隊的李佳副研究員、劉志鍇博士,杜學敏研究員團隊的黃超博士,以及唐永炳研究員團隊的周小龍副研究員等在實驗測試上的支持。 

  論文連接 

復合膜結構以及阻止釩離子滲透示意圖 

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