全钒液流电池用酸碱复合型海绵状多孔离子传导膜的结构设计、制备与性能研究

Membrane is one of the key materials of vanadium flow battery (VFB). Nowadays, perfluorinated sulfonic-acid ion exchange membranes are mainly used. However, high cost and low selectivity of currently used perfluorinated ion exchange membranes hindered their further application. The nonfluorinated ion exchange membranes have the advantages of high selectivity, high conductivity and low cost, but their stability cannot meet the requirements. Polymer porous separator membrane can internally overcome the stability issues, due to the fact that they are independent on ion exchange groups, therefore provide a totally new way for VFB membranes. The mainly target of this project is to improve the ion selectivity and stability of porous membranes by means of acid-base and the crosslinking networks. In this project, further investigation will be focused on the relation between the performance and membrane morphology, which will provide strong theory support for VFB membrane.

隔膜是全钒液流储能电池（VFB）的关键部分之一。目前VFB用隔膜主要是全氟磺酸离子交换膜，但全氟磺酸离子交换膜存在着离子选择性低、价格昂贵等问题，严重阻碍了其实用化和产业化进程。非氟离子交换膜具有离子选择性高、传导性高、价格低廉等特点，但其稳定性不能满足要求。而聚合物多孔分离膜由于不含离子交换基团，解决了非氟离子交换膜稳定性差的问题，为全钒液流储能电池实用化隔膜的研发开创了一条全新的思路。本项目为提高多孔分离膜在全钒液流电池中的离子选择性及稳定性，拟通过酸碱复合、原位交联等手段，建立多孔分离膜中的交联网络，制备高稳定性、高选择性的多孔分离膜。通过调控交联网络的结构，研究多孔隔膜在液流电池环境下的构效关系, 为液流储能电池用隔膜的研发提供理论依据和技术支持。

本项目针对全钒液流储能电池用多孔分离膜离子选择性与离子传导性之间的平衡问题，将聚合物多孔分离膜与非氟离子交换膜相结合，制备高选择性、高稳定性、高导电性的聚合物非对称多孔离子传导膜。紧扣项目申请书内容，通过结构设计，对多孔离子传导膜材料进行了优化，并以此为基础，通过研究成膜过程、成膜机理，实现多孔离子传导膜微观结构调控。最后，基于聚苯并咪唑多孔离子传导膜，构建了酸碱交联复合膜材料。申请者通过对多孔离子传导构效关系、离子传输机理等方面进行深入研究，解决了多孔离子传导膜中选择性与传导性的矛盾，在此基础上开发出高选择性、高离子传导型的多孔离子传导膜。采用所开发的膜材料组装单电池，160mA/cm2的电流密度下，能量效率达到80%。本项目研究成果对于高性能离子传导膜的开发具有重要的指导意义。本项目研究成果在Journal of Membrane Science, Journal of Power Sources等杂志发表SCI论文5篇，培养硕士研究生5人，圆满完成了各项指标。