【研究背景】
水系有機(jī)液流電池（AORFB）是一種安全、適用于大規(guī)模場(chǎng)景的儲(chǔ)能技術(shù)。它以水作為溶劑，使用有機(jī)材料作為儲(chǔ)能活性物質(zhì)，原料來源廣泛，具有本征安全性。該電池系統(tǒng)中，離子交換膜起到傳輸離子并阻止活性物質(zhì)滲透的重要作用，決定了AORFB運(yùn)行的穩(wěn)定性、能量效率、輸出功率等。傳統(tǒng)的離子交換膜，包括商業(yè)化的微相分離Nafion膜，以及廣泛研究的自具微孔型膜材料，通常面臨著離子電導(dǎo)率和選擇性之間的相互制衡。設(shè)計(jì)出兼具高離子電導(dǎo)率和高選擇性的離子交換膜，對(duì)提升電池系統(tǒng)運(yùn)行效率至關(guān)重要。
【工作介紹】
近日，西湖大學(xué)王盼課題組開發(fā)出一種具有雙重離子通道的支化型陰離子交換膜b-TB。b-TB膜兼具微孔型和限域相分型離子通道，且離子通道的尺寸狹窄。其優(yōu)異的電化學(xué)性能打破了傳統(tǒng)離子交換膜在電導(dǎo)率與選擇性之間的相互制衡，并在中性體系A(chǔ)ORFB中表現(xiàn)出優(yōu)良的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。該工作為離子交換膜的離子通道設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)研究發(fā)表在能源類頂級(jí)期刊Joule上。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101976
【內(nèi)容表述】
圖1. b-TB膜的設(shè)計(jì)思路與制備方法
作者創(chuàng)新性的采用后支化合成策略，實(shí)現(xiàn)膜在高離子化程度下兼具優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，并在極性溶劑中表現(xiàn)出良好的溶解性，可采用溶液澆筑法成膜。通過調(diào)控支化連接單元的結(jié)構(gòu)、比例和骨架結(jié)構(gòu)的剛性，作者實(shí)現(xiàn)了膜的形態(tài)學(xué)和微孔結(jié)構(gòu)調(diào)控，制備出兼具微孔型和相分型離子通道的b-TB膜。
圖2. b-TB膜的離子通道表征
作者通過二氧化碳吸附和原子力顯微鏡測(cè)試，并通過正電子湮沒和小角X射線散射技術(shù)，分別對(duì)膜的微孔及親水域尺寸進(jìn)行了表征，確認(rèn)了b-TB膜中存在雙重離子通道。在相同的技術(shù)手段下，b-TB膜的平均微孔半徑（< 2.3 ?）和親水域d值（2.0-2.1 nm）在目前已報(bào)道的所有膜中均處于最低的水平。表明b-TB膜的離子通道結(jié)構(gòu)豐富且狹窄。
b-TB膜兼具優(yōu)良的離子電導(dǎo)率和選擇性。在2 M氯化鉀介質(zhì)中，b-TB的膜面電阻僅為0.42 Ω?cm2，遠(yuǎn)低于商業(yè)化的DSV膜。同時(shí)b-TB膜對(duì)不同結(jié)構(gòu)的有機(jī)活性分子表現(xiàn)出良好的抗?jié)B透性，滲透系數(shù)低至10-12 cm2/s數(shù)量級(jí)。
圖3. b-TB膜的物理-電化學(xué)性能
將b-TB膜應(yīng)用到中性體系的AORFB中，在0.5 M活性物質(zhì)濃度下，b-TB膜展現(xiàn)出優(yōu)異的電阻與功率表現(xiàn)。在不同電流密度下，其能量效率也顯著優(yōu)于相同電池體系下的其他膜材料。b-TB膜的長(zhǎng)循環(huán)性能也十分優(yōu)越，在0.1 M 和0.5 M 電解質(zhì)濃度下，電池穩(wěn)定運(yùn)行超過230小時(shí)，且無明顯的能量效率和容量衰減。電池可在高達(dá)300 mA/cm2的電流密度下高效、穩(wěn)定運(yùn)行。電池表現(xiàn)進(jìn)一步證明了b-TB膜優(yōu)越的離子傳輸和抗?jié)B透性能。
圖4. b-TB膜在中性AORFB中的電池性能
鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng)向各大團(tuán)隊(duì)誠(chéng)心約稿，課題組最新成果、方向總結(jié)、推廣等皆可投稿，請(qǐng)聯(lián)系：郵箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。
