全钒液流电池的隔膜技术取得进展:低价高效的纳米孔隔膜

全钒液流电池是一种很有发展前景的储能技术,可以有效解决可再生能源的能量来源不稳定、电输出质量差等缺点,从而在学术界和工业界都获得了广泛的关注。钒电池具有输出功率与储能容量分离、模块化设计、电解液交叉污染小、能量效率高等显著的优点,但其大规模商业化却受到长期稳定性低、成本高等因素的制约。隔膜是钒电池的关键部件,也是限制钒电池技术发展的主要因素之一。传统钒电池所使用的全氟磺酸离子交换隔膜(例如Nafion)有两个主要的缺点,增加了钒电池系统的投资和维护成本:(1)价格过高;(2)钒离子互串使得系统运转过程中电量不断降低,并存在电解液沉淀的风险。现在被广泛研究的碳氢化合物隔膜虽然成本低,但对VO2+的长期化学稳定性是个令人关注的问题。于是寻找成本低、持久性好的替代隔膜材料成为钒电池领域重要的研究课题之一。

基于这一努力,最近美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)王玮博士领导的液流电池部件课题组发明了一种低成本、高性能的聚四氟乙烯/二氧化硅(PTFE/silica)复合隔膜材料,开辟了隔膜材料研究的新思路。这种隔膜材料由聚四氟乙烯纤维网络以及嵌在其中的沉淀二氧化硅颗粒构成。以CF2-CF2为骨架的聚四氟乙烯使隔膜对强酸和VO2+具有与Nafion类似的强化学稳定性,以及很好的机械性能;二氧化硅颗粒使隔膜具有良好的亲水性,并在隔膜里产生纳米量级的孔状结构,其平均孔径为38纳米,孔隙率为48%,在钒电池中用作离子传导的通道,使得这种隔膜具有与Nafion不同的工作原理。更重要的是,由于原料都比较便宜,而且制作工艺简单,这种隔膜材料的价格估计与Nafion相比至少要低一个数量级。