德国和韩国科学家将纳米孔疏水膜应用于高效储能系统

材料牛注：亚琛工业大学（德国）和汉阳大学（韩国）的研究人员独辟蹊径，首次将疏水膜应用于液流电池，其具有高度的选择性和离子传导性，提高了全钒液流电池性能。液流电池一跃成为储能黑马。

能量的储存与转化是风能、太阳能等可再生能源利用的关键技术。因此，需要设计高效，灵活的能量存储系统来适应于能量增益的波动。亚琛工业大学莱布尼兹交互材料研究所（DWI）和首尔汉阳大学的科学家们隔膜材料的研究上取得最新进展，极大地加快了新能源储存系统的发展进程。

推广氧化还原液流电池被认为是发展下一代高效储能技术的重要举措。液流电池是利用电解液中的活性物质来储存能量。例如，全钒液流电池是以溶解于硫酸中的钒离子为活性物质的氧化还原电池。由两种储能电解质由隔膜分开，完成充放电循环。调节电解质的用量可以很容易地改变电池的存储容量。质子在隔膜两侧“穿梭”，钒离子因此氧化或者还原，从而完成电池的充放电过程。

隔膜在液流电池系统中发挥着重要作用：一方面，它需抑制正负极电解液中不同价态的钒离子的交叉混合，以防止短路引起能量损失。另一方面，质子需通过隔膜来传递电荷，实现充放电。开发具备这两种功能的膜来实现液流电池高效、商业化使用，仍是目前的一个重大挑战。

目前的基准是全氟磺酸膜（Nafion膜）。这种膜具有化学稳定性且可允许质子通过，广泛应用于氢燃料电池领域。然而，当Nafion膜和类似的聚合物吸水膨胀时，就会失去“拦截”钒离子的功能。聚合物化学家尝试通过改变这种膜的分子结构，以抑制钒离子的交叉混合。

来自亚琛和首尔的研究者们开创了一种新方法。DWI的Wessling教授说：“我们使用疏水膜代替传统的隔膜材料，这种膜不会吸水膨胀，因此能很好地发挥阻隔作用。当发现疏水材料中有着众多的小孔和通道并且充满水时，我们兴奋极了。这些孔道直径小于2nm，允许质子高速通过，同时又阻碍钒离子等较大尺寸的离子通过。”这种阻隔性能十分稳定：经过一周或者完成100次充放电循环以后，钒离子仍然不能通过。Wessling教授说：“电流测试表明，其最高能量转换效率高达99%，这说明在此过程中，钒离子确实被有效阻隔了。”控制电流密度为1-40mA/cm2，测得的能量转换效率均高于85%，远大于传统方法76%的转换效率。

这些结果展示了一种新的传输模式。内部含有微孔的PIM聚合物遇水不发生膨胀，而是显著收缩。推测造成这种现象的原因是，水分子只聚集在孔道之中，而不与其发生反应。研究人员希望通过进一步的研究来详细分析这种现象。

为解释这令人费解的现象，亚琛和首尔的科学家们将进行进一步测试：他们可以继续提高疏水膜在液流电池的应用吗？该膜长期稳定吗?如果以上条件成立，疏水膜可能确实能够促进液流电池和类似的能源存储系统的实际应用。研究者们希望,通过改善电力系统频率稳定性，实现可再生能源的稳定输出。

参考原文链接：A hydrophobic membrane with nanopores for highly efficient energy storage

文献链接：Ultra-High Proton/Vanadium Selectivity for Hydrophobic Polymer Membranes with Intrinsic Nanopores for Redox Flow Battery

本文由编辑部黄语嫣提供素材，胡静编译，王思迪审核， 点我加入材料人编辑部。

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