多孔离子传导电池隔膜研究进展

具有高离子选择性和高电导率的离子传导膜对于以新能源为主体的新型电力系统（如液流电池、燃料电池、锂电池等）至关重要。近年来，研究者们提出了构建多孔离子传导膜以应对传统隔膜普遍存在的离子选择性和电导率之间的权衡效应。本综述从无机多孔离子传导膜、有机多孔离子传导膜以及多孔离子传导复合膜三个方面简要概述了近年来多孔离子传导膜作为电池隔膜的最新研究进展，总结了多孔离子传导膜在液流电池、燃料电池、锂电池等新能源电池中的前沿性工作，并指出未来多孔离子传导电池隔膜的研究将重点关注多孔膜结构的调控、高性能多孔膜材料的开发以及多孔膜在新型电池中的应用。     

大化所研制出长寿命锌基液流电池用复合离子传导膜

正近日,中科院大连化物所研究团队在长寿命锌基液流电池复合离子传导膜研究方面取得新进展。该团队将具有高导热性、高机械强度的氮化硼纳米片引入多孔基膜中,制备出复合离子传导膜,可显著提高锌基液流电池的循环寿命。锌基液流电池储能技术因具有成本低、安全性高、环境友好等特点,在分布式储能领域展现出良好的应用前景。离子传导膜是电池的关键零部件之一,其特点对锌沉积形貌、锌枝晶生长过程具有重要影响,因此,合理的膜结构设计在提高电池循环稳定性方面发挥着重要作用。     

液流电池多孔膜材料研究进展

总结了液流电池多孔膜材料的研究进展。详细介绍了液流电池多孔膜材料的工作机理、制备方法、性能优化方法等。结合目前大规模储能领域以及液流电池开发,提出了未来多孔膜材料的发展方向。     

大连化物所研制出长寿命锌基液流电池用复合离子传导膜

正锌基液流电池(ZFBs)储能技术因其具有成本低、安全性高、环境友好等特点,在分布式储能领域展现出良好的应用前景。但是,由于锌枝晶/锌累积的问题,该类电池的发展受到循环寿命差和充放电性能差的限制。离子传导膜可调控锌沉积形貌和抑制枝晶生长,在提高电池循环稳定性方面发挥了重要作用。前期,研究团队发现通过膜材料荷电特性可实现对锌沉积方向和形貌的调控,从而大幅度提高锌基液流电池的面容量和电池的循环稳定性。     

全钒液流电池用质子传导膜研究进展

全钒液流电池(VRB)作为一种大规模蓄电储能装备,在可再生能源发电和节能技术领域将发挥重要作用。质子传导膜是VRB中的关键材料之一,其作用主要有两方面:传导质子连通电堆内电路;阻止正负极电解液间不同价态钒离子的相互渗透,避免能量损失。质子传导膜性能对电池效率和成本有重要影响。在分析VRB基本原理基础上,阐明质子传导膜需同时满足优良的导电性、阻钒性、稳定性和合理成本等要求。以高分子膜的化学组成与物理结构的演化过程为线索,分别论述三类膜材料,包括Nafion系列膜、非全氟型质子传导膜、纳米尺度孔径的多孔膜。在归纳现有膜材料化学结构、物理性质与电学性能的基础上,阐述高性能质子传导膜的重点研究方向与发展前景。     

新型离子传导膜兼具“高选择性”与“高传导率”

近日,中科院大连化物所李先锋研究员、张华民研究员团队开发了一种超薄分离层复合离子传导膜,解决了离子传导膜领域"高选择性"与"高传导率"不可兼得的技术难题。该膜可大幅提升液流电池功率,降低电堆成本。离子传导膜是液流电池的关键材料之一。膜的选择性越高,则电池库伦效率越高;膜的传导率越高,则电池电压效率越高;而库伦效率与电压效率共同影响电池的能量效率。     

全钒液流电池膜离子选择性传导通道构建的研究进展

全钒液流电池（VFB）具有存储容量大、功率和容量可调、活性物质无交叉污染等优点，在大规模储能领域受到广泛的关注。商业化全氟磺酸膜成本高、离子选择性低的问题，制约了VFB的大规模应用。低成本非氟膜的研究成为主要的研究方向。迄今为止，替代膜面临着离子传导率与选择性之间的权衡问题，同时在强酸性和氧化条件下的化学稳定性也是一个挑战。通过构效关系优化膜内的离子选择性传导通道，是实现高离子选择性传导和高稳定性的关键。本文对基于传统亲水基团的离子选择性传导通道、基于孔径筛分效应的离子选择性传导通道、基于非传统亲水基团的离子选择性传导通道进行分析研究，较为全面阐述了当前VFB膜研究取得的进展及目前面临的问题，并提出了膜内离子选择性传导通道构建的研究方向。     

自由体积和微孔调控的阴离子交换膜制备及应用研究进展

阴离子交换膜（AEM）在碱性燃料电池和全钒液流储能电池中具有良好的应用潜力，但目前其电导率和稳定性尚无法满足电池高功率和耐久性要求，且电导率和稳定性间存在突出矛盾。近年来的文献（包括本文作者课题组相关工作）表明，合理地在膜内引入自由体积和微孔结构可降低离子传导阻力，有利于降低电导率对离子交换容量的依赖，进而实现电导率与膜强度、稳定性的平衡。本文对上述文献进行了简要概述和分析，重点介绍AEM自由体积和微孔调控方面的主要研究进展，包括自由体积调控策略（在膜结构中引入扭曲弯曲链单元、刚性侧基、梯形结构，采用自具微孔聚合物制膜等），微孔构筑新方法（侧基水解法和环糊精模板法），以及自由体积和微孔结构对AEM离子传导率、稳定性、渗透性能、力学性能和电池性能的影响。     

面向液流电池用酸-碱复合型质子交换膜的研究进展

液流电池是一种大型的储能系统,具有高效安全、使用寿命长和绿色环保等优点,在风能、太阳能等新能源领域具有很大前景。质子交换膜作为液流电池的主要组成部分,决定了电池性能和经济可行性。理想的质子交换膜应具有高电导率,良好离子交换能力,优异热稳定性和化学稳定性,及较低成本等。本文介绍了酸-碱复合型质子交换膜,对现状进行了分析,探讨了酸-碱复合型质子交换膜在液流电池中的研究进展。     

全钒液流电池用离子交换膜的研究进展

由于全钒氧化还原液流电池(VRB)具有大规模储能和稳定发电的特点,引起了国内外的广泛关注。离子交换膜(IEM)是VRB中的重要组件,它不仅要隔开阴阳极电解液,而且还要传输离子以构成闭合回路。对全钒液流电池用离子交换膜做了系统介绍。从离子交换膜的基本功能出发,详细阐述了近年来国内外全钒液流电池用离子交换膜的研究进展及目前面临的问题,并展望了全钒液流电池大规模商业化应用的前景。     

三相结构离子交换膜的构筑及应用研究

三相结构离子交换膜是一类具有惰性相、离子交换基团相和辅助功能基团相的特殊结构材料。传统两相结构离子交换膜受限于离子通量和选择性的相互制约,难以实现两者同步提升。因此,研究者开始关注新型三相结构,以改善离子传质路径。综述了离子交换膜从两相结构到三相结构的发展,介绍了微相分离离子交换膜、自具微孔离子交换膜、有机硅烷杂化离子交换膜和基于氧化石墨烯或金属有机框架的“三相”结构离子交换膜,讨论了离子膜介尺度中的相结构、孔道结构和缺陷等问题,并概述了三相结构在燃料电池、液流电池、一/二价离子分离和酸碱回收等领域所发挥的作用,以期给三相结构指导离子交换膜制备并提升性能提供策略参考。     

全钒液流电池充电/放电过程模型

建立全钒液流电池充电/放电过程模型,描述钒离子在离子传导膜中渗透产生的自放电现象对电池过程影响,反映电解液中不同价态钒离子浓度随时间变化规律,以及电池开路电压、端电压的时间依存性。通过与实验结果对比,数值模拟与实验结果保持良好一致性,验证所发展的数学模型的有效性。利用数值模拟再现实验结果,研究了充放电电流与电池容量的关系。结果表明：电池容量随电流的变化存在峰值。所建立的全钒液流电池过程模型,为液流电池储能系统的设计和操作提供依据。     

全钒液流电池离子交换膜研究进展

全钒液流电池(VRB)是近年来储能电池领域的研究热点,离子交换膜是其关键部件之一,其性能优劣直接影响到钒电池的使用寿命和储能能力。对钒电池离子交换膜的研究进展作了简要概述。     

多孔炭材料设计合成及电化学储能应用

多孔炭材料具有导电性好、结构稳定、资源丰富、价格低廉的天然优势，既可直接作为电极材料，构建炭基电化学储能器件，又可与非炭电活性材料复合，起到传输电子、缓冲体积膨胀及调节界面反应的作用，在电化学储能器件中一直发挥着不可或缺的作用。结合本文作者课题组的研究工作，本文总结了多孔炭制备及孔结构和形貌的调控方法，分析了各方法的优缺点；并以超级电容器、锂离子/钠离子电池和锂硫电池为代表，阐述了多孔炭材料在电化学储能领域的作用及应用研究现状，讨论了电化学储能器件对多孔炭材料的结构与性能要求，指出了多孔炭在电化学储能应用中存在的局限性，并对多孔炭在这些储能领域的研究和发展趋势做出展望。     

木质素多孔炭的制备及应用研究进展

木质素是一种具有三维网状分子结构、含有大量芳香基团和高含碳量等特点的天然高分子,其在制备多孔炭领域具有巨大潜力。多孔炭在催化剂和能源储存领域具有极大的应用前景。以来源于制浆造纸和生物炼制行业的副产物工业木质素作为原料制备多孔炭应用于能源储存、吸附、催化剂载体等领域,可实现工业木质素在碳基功能材料领域的高附加值循环再利用。本文详细综述了目前木质素多孔炭的常用制备方法和微结构特性的调控方法,总结归纳了各制备方法的主要特点以及影响木质素多孔炭微结构与性能的关键因素;重点综述了近些年对木质素多孔炭孔道结构调控方面的研究,归纳了孔调控的方法;此外,总结了木质素多孔炭在超级电容器、锂离子电池、吸附剂和催化剂载体领域中的应用研究现状,讨论了催化和储能材料对木质素多孔炭的微结构特性要求。总结并展望了木质素多孔炭在制备与应用中面临的机遇和挑战。     

金属-有机框架在二次电池中的储能机制研究进展

金属-有机框架（MOFs）具有多孔、大比表面积和结构与功能可调控等特点,已被广泛用作二次电池电极材料。本文重点介绍了MOFs作为二次电池电极材料的储能机制研究进展,主要分为转化储能机制、脱嵌储能机制、物理吸脱附储能机制等,并分析了各类储能机理的储能特点及对电化学性能的影响,探究了MOFs在较大离子半径的钠、钾离子电池中的应用特点及发展潜力。最后简要讨论了MOFs作为电极材料的设计思路为兼顾各类储能机制的优点,即选用较多储能位点的结构及较稳定的金属离子作为有机配体的连接点。     

多硫化钠/溴液流电池研究进展

介绍了多硫化钠/溴液流电池(PSB)的原理与特点及其正负极电极材料的制备、离子交换膜改性及电池组等方面的国内外技术发展现状,指出PSB目前急待解决的问题是高性能低成本的离子交换膜、高稳定性的电极材料的研制及电池组结构优化设计。     

液流电池流场结构设计与优化研究进展

液流电池结构设计与优化研究是改善电池内部电解液流动性能、提高电堆功率密度和可靠性的重要途径之一。在石墨板上设计并行、交指和蛇形等流道是液流电池使用的传统流道结构,其缺点为流道种类单一、石墨板成本高及机械性能差。为了克服上述缺点,波纹状并行、分离式蛇形、螺旋形等新型流道,在电极上构建流道、引入独立的流道部件、环形与梯形等异形结构等先后被提出。本文从双极板、电极上的结构设计和异形结构设计与优化三方面系统综述了近年来液流电池结构设计与优化研究进展,阐释流场结构等对电池性能的影响机制及其与电池运行、装配间的适配规律,并提出进一步改善电池性能并适合普及应用的流场结构形式。     

MXene在生物质基储能纳米材料领域中的应用研究进展

MXene是一种类石墨烯结构的层状二维纳米材料，具有高导电性和高比表面积等优点，常用在储能领域。MXene含有丰富的端基官能团，易与生物质纳米材料形成交联结构并拓宽其层间距，从而提高储能器件的柔韧性及提供更多的离子传输通道。故MXene用于生物质储能纳米材料逐渐成为研究热点之一。本文综述了近年来MXene复合生物质基纳米材料在储能领域中的应用，首先介绍了不同MXene的制备方法及其优劣势，其次分别介绍了用CNF、BC、CNC等材料对MXene储能器件的优化改性方法，并总结了MXene复合生物质纳米材料在超级电容器、纳米发电机、二次电池等三种前沿储能器件中的物化特点及性能优势，重点分析了生物质纳米材料在MXene/生物质纳米复合材料中的功能。最后，对MXene复合生物质纳米材料在储能领域所面临的挑战及其未来应用前景进行了分析与展望。     

质子传导膜内受限空间离子扩散过程

以具有纳米尺度孔径的聚偏氟乙烯(PVDF)质子传导膜为对象,研究电解质溶液中水合离子在受限空间内的传递行为,证明使用纳米尺度多孔膜代替离子交换膜用于液流电池过程的可行性。利用渗透实验分别研究浓度场、压力场,以及不同渗透压条件下膜中离子扩散和水迁移现象,分析传质行为与膜结构和组成之间的关系。结果表明离子在纳米尺度孔径的PVDF膜中的扩散过程与溶液中类似,表观离子扩散系数不受浓度差推动力的影响;离子交换膜中的表观离子扩散系数随浓度差推动力提高而增加。在渗透压作用下,自制PVDF纳米孔膜的水迁移速率低于Nafion 117膜,水迁移带来的负面影响更小;对于H⁺/VO²⁺的离子选择系数超过300,有效透过H⁺而阻止VO²⁺,适用于全钒液流电池过程。