全钒液流储能电池用高选择性聚合物复合多孔分离膜的设计制备及基础研究

Commercializaiton of vanadium redox flow battery (VFB) is hurdered by the high cost and low selectivity of currently used perfluorinated ion exchange membranes (IEMs). Recently we first introduced porous separator into VFB instead of traditional IEMs, which provides a totally new way for VFB membrane separator design. This project will focus on the key problem of porous separator for VFB to solve the balance between membrane selectivity and ion conductivity. Composite membranes with high ion selectvity and conductivity will be fabricated by introduing a ultra-thin layer of nonfluorinated IEMs. In this design, the porous separator will effectively separate vanadium ions, which can decrease the concentration of oxdiazed VO2+ contacted with membranes and ensure the life of nonfluorinated IEMs. The nonfluorinated ion exchange membranes will improve the selectivity of porous separator, while still keep their ion conductivity. In this project, further invesitigation will be focused on the relation between the perfomance and membrane morphology,which will provide strong theory support for VRB membrane separator.

全钒液流储能电池用全氟磺酸离子交换膜由于价格昂贵、离子选择性低，而严重制约了该电池的实用化和产业化。近期，申请者提出了用聚合物多孔分离膜来取代传统离子交换膜的设想，为全钒液流储能电池用实用化隔膜研发开创了一条全新的思路。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复合多孔分离膜。通过该设计，多孔分离膜可以截流五价钒，降低五价钒离子对离子交换膜的氧化破坏，保证非氟离子交换膜在全钒液流储能电池中的寿命。而非氟离子交换膜层可以传递质子并进一步隔离两侧电解液，在提高多孔分离膜离子选择性基础之上保持其离子传导性。本项目将从多角度出发，研究膜的构效关系和离子传输机理，为液流储能电池用隔膜的研发提供理论依据和技术支持。

大规模储能技术是实现可再生能源普及应用的关键核心技术.全钒液流电池储能技术（VFB）具有使用寿命长、储能规模大、安全可靠等突出的优势，成为规模储能的首选技术之一。目前，VFB用全氟磺酸离子交换膜离子选择性低、价格昂贵，严重阻碍其实用化和产业化进程。申请者提出了用非氟多孔离子传导膜来取代传统离子交换膜的概念，并证实了其可行性，为全钒液流电池用实用化隔膜研发开创了一条全新的思路。尽管如此,多孔离子传导膜中离子选择性和质子传导性之间的矛盾，严重制约聚合物多孔离子传导膜在VFB中的应用。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复合多孔分离膜。本项目在深入细致研究非氟离子交换膜降解机理的基础上，通过结构设计开发出不同孔结构、孔分布的多孔离子传导膜，并以此为基础深入研究并阐明了多孔离子传导膜的构效关系，设计并开发出高选择性、高离子传导型、高稳定性的多孔离子传导膜，解决了多孔离子传导膜中离子选择性与传导性的矛盾。采用所开发的膜材料组装单电池，库仑效率、电压效率和能量效率均远高于杜邦公司的全氟磺酸膜。该成果对于推进液流电池产业化，降低液流电池成本具有重要的意义。相关研究成果发表SCI论文15篇，其中Energy Enviormental Science 2篇, Advanced Functional Materials 2篇。受到国内外高度关注。申报发明专利10项。相关研究成果荣获包括中国科学院杰出科技成就奖、国家技术发明二等奖等奖项。