全钒液流电池的质子传导膜研究

面向风能、太阳能发电等新能源产业对大规模蓄电储能装备的重大需求，研究全钒液流电池的质子传导膜材料制备方法、成膜机理与膜材料设计理论。提出以含氟高分子为基体原料，使用具有质子传导功能的单体化合物在基体中聚合，形成高分子链互穿网络结构的质子传导膜；前者提供膜材料耐氧化、耐腐蚀性能，后者提供质子传导通道。对质子传导膜材料的分子聚集体化学组成、微结构与带电粒子选择性迁移之间的关系进行研究，揭示制备过程控制参数对膜材料化学组成、微结构的影响规律，建立面向液流电池过程的质子传导膜材料设计理论与方法。通过设计质子传导功能单体的基团组成、分子结构，合理调控含氟高分子基体与质子传导聚合物的相互作用，有望实现亲水基团和疏水基团平衡，有效抑制膜材料溶胀和水分子渗透。本项目成果能够为新能源装备开发提供所需的膜材料，形成质子传导膜设计方法和和技术基础，对于发展新能源战略产业具有重大现实价值和理论意义。

面向风能、太阳能等新能源产业发展对大规模蓄电储能装备的重大需求，研究全钒液流电池的质子传导膜材料制备过程的成膜机理和膜材料设计方法。突破现有“离子交换”传质机理的限制，利用钒电解液中不同价态钒离子与氢离子相比，在体积和荷电量的差异，提出利用纳米尺度多孔膜的离子“筛分”和“静电排斥”效应进行离子分离的概念。结果表明，本项目研究成功具有纳米孔结构的PVDF膜，孔径分布在4-8 nm，添加物在成膜过程中起到了致孔剂的作用。成膜过程中随着溶剂挥发，疏水性PVDF分子和亲水性添加物分子各自团聚成单一组分富集相，超过临界相变浓度后发生相分离。随后，将脱除溶剂后的干态膜浸入水中，使水溶性添加物溶解到水中，留下的“空穴”彼此连通成为具有纳米孔结构的多孔膜。在国际上首次完成聚偏氟乙烯（PVDF）的全钒液流电池专用质子传导膜制造工艺放大，成功制得面积800×1000mm的质子传导膜，厚度80～160微米，电导率大于3×10－2S/cm。本项目成果为液流电池装备开发所需的隔膜研究提供基础理论和技术支撑，对于发展新能源战略产业具有重大现实意义和理论价值。