Advanced Energy Materials:基于溶剂扩散速率精确调控高功率密度液流电池用多孔离子传导膜

膜分​​离技术具有能耗低、高效等优势在水处理、气体分离、医疗、冶金和化工等领域得到了广泛应用。近年来,膜分离技术的应用领域不断拓展,特别是在电化学储能领域发展迅速。随着可再生能源的迅速发展,储能技术得到广泛关注。液流电池储能技术,特别是全钒液流电池储能技术(VFB)因具有安全性高,效率高,循环寿命长和设计灵活等特点,成为大规模储能的首选技术之一。膜材料作为其关键核心部件起着阻隔钒离子传递质子形成电池回路的作用。因此,理想的膜材料需要具有高的离子选择性和质子传导率。

膜分离过程中膜材料选择性与通量(离子传导率)之间的Trade-off效应是膜材料结构设计中存在的共性的难题。而对于VFB,打破离子选择性和离子传导率之间的“trade-off”效应,对于提高电池功率密度并进一步降低电池成本至关重要。通常来说,膜微观结构直接影响到膜的性能。非溶剂诱导相分离法(NIPS)制备的膜结构通常包括选择性皮层和大孔支撑层结构,皮层和支撑层同时形成且很难实现独立调控,给膜的选择性和质子传导性的调控带来了挑战。因此,如何实现选择性皮层和大孔支撑层的独立调控对于打破膜的选择性与传导性Trade-off效应尤为重要。

中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究团队提出了一种两步非溶剂诱导相分离法,通过调控溶剂扩散实现多孔离子传导膜选择性皮层和大孔支撑层的独立精确调控。结合实验和理论计算,发现采用NIPS法所制备膜的形貌与成膜过程中溶剂向非溶剂浴的内部扩散通量(Ji)和非溶剂向聚合物溶液的外部扩散通量(Je)高度相关。本文通过调控Ji和Je可实现膜微观结构的调控,首先采用具有Ji >> Je的混合非溶剂浴来引发聚合物溶液非溶剂界面附近的相分离形成致密而薄的分离层,然后采用水作为非溶剂浴进行快速交换形成大孔的支撑层。采用以上方法所制备的膜具有高选择性的超薄分离层与高度多孔的支撑层结构,进而大幅提高了膜的选择性和传导率。采用所制备的膜材料组装的VFB单电池在220 mA cm-2的电流密度下能量效率超过80%。 该工作通过模拟计算和PFG NMR技术揭示了膜制备过程中溶剂扩散的作用,提出了一种简单有效的膜微观结构的调控方法,并为膜材料的开发提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202001382)上。