德國和韓國科學家將納米孔疏水膜應用于高效儲能系統

材料牛注：亞琛工業大學（德國）和漢陽大學（韓國）的研究人員獨辟蹊徑，首次將疏水膜應用于液流電池，其具有高度的選擇性和離子傳導性，提高了全釩液流電池性能。液流電池一躍成為儲能黑馬。

能量的儲存與轉化是風能、太陽能等可再生能源利用的關鍵技術。因此，需要設計高效，靈活的能量存儲系統來適應于能量增益的波動。亞琛工業大學萊布尼茲交互材料研究所（DWI）和首爾漢陽大學的科學家們隔膜材料的研究上取得最新進展，極大地加快了新能源儲存系統的發展進程。

推廣氧化還原液流電池被認為是發展下一代高效儲能技術的重要舉措。液流電池是利用電解液中的活性物質來儲存能量。例如，全釩液流電池是以溶解于硫酸中的釩離子為活性物質的氧化還原電池。由兩種儲能電解質由隔膜分開，完成充放電循環。調節電解質的用量可以很容易地改變電池的存儲容量。質子在隔膜兩側“穿梭”，釩離子因此氧化或者還原，從而完成電池的充放電過程。

隔膜在液流電池系統中發揮著重要作用：一方面，它需抑制正負極電解液中不同價態的釩離子的交叉混合，以防止短路引起能量損失。另一方面，質子需通過隔膜來傳遞電荷，實現充放電。開發具備這兩種功能的膜來實現液流電池高效、商業化使用，仍是目前的一個重大挑戰。

目前的基準是全氟磺酸膜（Nafion膜）。這種膜具有化學穩定性且可允許質子通過，廣泛應用于氫燃料電池領域。然而，當Nafion膜和類似的聚合物吸水膨脹時，就會失去“攔截”釩離子的功能。聚合物化學家嘗試通過改變這種膜的分子結構，以抑制釩離子的交叉混合。

來自亞琛和首爾的研究者們開創了一種新方法。DWI的Wessling教授說：“我們使用疏水膜代替傳統的隔膜材料，這種膜不會吸水膨脹，因此能很好地發揮阻隔作用。當發現疏水材料中有著眾多的小孔和通道并且充滿水時，我們興奮極了。這些孔道直徑小于2nm，允許質子高速通過，同時又阻礙釩離子等較大尺寸的離子通過。”這種阻隔性能十分穩定：經過一周或者完成100次充放電循環以后，釩離子仍然不能通過。Wessling教授說：“電流測試表明，其最高能量轉換效率高達99%，這說明在此過程中，釩離子確實被有效阻隔了。”控制電流密度為1-40mA/cm2，測得的能量轉換效率均高于85%，遠大于傳統方法76%的轉換效率。

這些結果展示了一種新的傳輸模式。內部含有微孔的PIM聚合物遇水不發生膨脹，而是顯著收縮。推測造成這種現象的原因是，水分子只聚集在孔道之中，而不與其發生反應。研究人員希望通過進一步的研究來詳細分析這種現象。

為解釋這令人費解的現象，亞琛和首爾的科學家們將進行進一步測試：他們可以繼續提高疏水膜在液流電池的應用嗎？該膜長期穩定嗎?如果以上條件成立，疏水膜可能確實能夠促進液流電池和類似的能源存儲系統的實際應用。研究者們希望,通過改善電力系統頻率穩定性，實現可再生能源的穩定輸出。

參考原文鏈接：A hydrophobic membrane with nanopores for highly efficient energy storage

文獻鏈接：Ultra-High Proton/Vanadium Selectivity for Hydrophobic Polymer Membranes with Intrinsic Nanopores for Redox Flow Battery

本文由編輯部黃語嫣提供素材，胡靜編譯，王思迪審核， 點我加入材料人編輯部。

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