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长沙理工开发出钒电池用低成本高性能Nafion/TiO2纳米管复合膜

作者:中国储能电站网 来源:钒电池 时间:2020-04-08 浏览:
      液流电池具有寿命长、成本低、安全可靠、响应迅速、功率与容量相互独立等特点,是目前最有前景的大规模储能技术之一。隔膜作为液流电池的关键材料之一,决定了电池的性能和电堆成本。然而,目前最常用隔膜材料为进口Nafion系列膜,存在成本高和活性离子交叉污染严重的关键问题。

近日,由“湖南省团队百人计划”、长沙理工大学材料科学与工程学院丁美教授,贾传坤教授,和重庆大学孙立东教授共同主导,开发了一种低成本、高性能全氟磺酸基复合离子交换膜——Nafion/TiO2纳米管复合膜,并应用于钒电池上。在120 mA cm–2电流密度下,钒电池能量效率高达84.4%,稳定循环超过1400次,持续518小时以上,远高于商业化Nafion膜。此外,在大幅提高了隔膜的离子选择性能基础上,隔膜成本大幅降低,具有广泛的商业化应用前景。相关研究结果于2020年3月29日在材料类著名期刊先进能源材料上发表(Advanced Energy Materials, 2020, 1904041, DOI:10.1002/aenm.201904041,影响因子:24.884)。论文第一作者为长沙理工大学与重庆大学联合培养博士生叶家业(由长沙理工大学“省百人团队”全日制联合培养),材料学院丁美教授、贾传坤教授、重庆大学孙立东教授为共同通讯作者。   

           

图1 钒电池示意图、TiO2纳米管和Nafion/TiO2纳米管复合膜形貌与结构

为进一步研究掺加改性方法对隔膜性能影响,团队丁美教授、贾传坤教授与中科院北京纳米能源与系统研究所孙其君教授合作,开发一种低成本、超稳定的Nafion/氧化石墨烯复合膜。该膜在厚度仅为商业化膜~80%的条件下,钒离子交叉污染比商业化Nafion膜显著降低。在100 mA cm–2电流密度下,钒液流电池稳定循环超过700次容量保持在55.8%以上,远高于商业化Nafion膜。相关研究结果于2020年3月13日在亚洲化学上发表(Chem Asian J. 2020, 15, 1–8, DOI:http://dx.doi.org/10.1002/asia.202000140)。论文第一作者为长沙理工大学材料学院一年级硕士研究生楼雪纯,2017级本科生喻粤生为论文第三作者。丁美教授、中科院北京纳米能源与系统研究所孙其君教授为共同通讯作者。

图 2 钒电池与Nafion/GO复合膜示意图

上述隔膜均为Nafion膜改性,仍然依靠进口“卡脖子”材料——Nafion。开发国产膜材料对液流电池产业化发展至关重要。团队丁美教授和贾传坤教授开发一种低成本绿色的磺化聚醚醚酮(SPEEK)/木质素(lignin)复合模,并成功应用到液流电池上。该膜表现出比Nafion优越的离子选择性及显著降低的钒离子渗透。在钒电池中表现出达到99.5 %的库伦效率,经过长时间循环后电池仍保持良好的性能。相关研究结果在材料类著名期刊膜科学上发表(Journal of Membrane Science, 2019, 572, 110–118,SCI一区,ESI 高被引论文)。论文第一作者为长沙理工大学与重庆大学联合培养博士生叶家业,丁美教授、贾传坤教授为共同通讯作者。  

图 3SPEEK/lignin复合膜工作原理示意图

上述研究工作得到了湖南省团队百人计划、湖南省高层次人才聚集工程、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、公路养护技术国家工程实验室等项目的资助。

基于上述隔膜研究成果,丁美教授指导本科生团队获得2019年“互联网+”国赛三等奖,并在2018年和2019年多次获得挑战杯,互联网+等竞赛省级一等奖,其被评为2019年湖南省教育厅“优秀创新创业导师”。

材料科学与工程学院作为长沙理工大学唯一研究型建设学院,一直实践并探索以创新引领为核心的“三全”育人模式,把培养具有创新特质的学生作为核心标准,尤其注重引导研究生以产业和基础研究关键问题为研究目标,聚焦研究前沿和“卡脖子”问题,挑战领域难题,重点培养研究生的科研系统性、创新性和独立性。建院3年来培养多名优秀研究生在各自领域取得初步成果,获得多项专业领域奖励,人才培养质量得到显著提升。

关键字:液流电池

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