Тенденции и технические проблемы в разработке ионных обменных мембран для проточных батарей

Текущие батареи, как потенциальные носители крупномасштабной технологии хранения энергии, привлекли значительное внимание в таких областях, как интеграция сетки возобновляемых источников энергии и регулирование пиковой нагрузки из-за их отдельной мощности и пропускной способности, срока службы длительного цикла и других характеристик. Выбор и оптимизация производительности мембранных материалов, основного компонента, непосредственно определяют эффективность батареи, срок службы и стоимость. Текущие основные технологии включают батареи для потока ванадие, батареи на основе цинка и аккумуляторы органического потока, каждая из которых имеет различные требования к мембранным материалам. Улучшение и проверка технологических инноваций имеют решающее значение для преодоления узких мест в отрасли.

I. Ванадиевые окислительно -восстановительные батареи: балансирование устойчивости к проницаемости ванадия и долговечности

Выбор материала: Мембраны перфторульфоновой кислоты (серии Nafion) традиционно были предпочтительным выбором из -за их высокой ионной проводимости до 85 мс/см. Тем не менее, они страдают от значительных проблем, таких как высокая ионная проницаемость ванадия (> 10⁻⁷ см²/с) и высокая стоимость (приблизительно 20 000 иен за квадратный метр). Направления улучшения сосредоточены на:

1. Модификация заполнения: использование наночастиц SIO₂ (как изучено XI et al.) Или органические неорганические гибридные слои (такие как Ormosil) для заполнения гидрофильных кластеров Nafion, снижая проницаемость ванадия в семь раз;

2. Инженерная инженерия: построение положительно заряженного барьерного слоя на поверхности Nafion через межфазную полимеризацию полиэтиленомина (PEI) (как изучена Luo et al.), Используя электростатическое отталкивание для ингибирования миграции высоковалентных ионов ванадий;

3. Нефторинные альтернативы: Университет Цзиотона разработал кватернизированную композитную мембрану полисульфона/PVDF (как подробно описано в статье Рен Цзин); и серия нефторированных ионных мембранных мембранных продуктов, разработанных совместно с помощью XXX Energy и Central South University для окислительно-восстановительного потока, которые включают PBI и мембраны PBI и Speek.

Система проверки: 1. Тест на устойчивость к окислению ванадия: Погрузите мембранный образец в раствор пентавалентного ванадия при 3 моль/л H₂SO₄ в течение 7 дней и обнаруживает изменение концентрации тетравалентного ванадия с использованием УФ -спектрофотометра. Если поглощение превышает предел обнаружения (обычно <0,01 А), считается, что мембрана ухудшается; 2. Оценка химической стабильности: провести ускоренный эксперимент по окислению с использованием реагента Фентона (H₂O₂/Fe²⁺), с квалифицированным стандартом потери массы менее 5% и менее 10% распада проводимости мембраны; 3. Электрохимическая проверка: выполните одноклеточные тесты в соответствии с NBT 42081, требуя энергоэффективности> 75% (при 100 мА/см²) и менее 15% затухания мощности после 2000 циклов.

II Основные батареи на основе цинка: двойные проблемы подавления дендрита цинка и ионов

Выбор материала: Щелочные цинко-железные потоки должны выдерживать сильную щелочную коррозию (pH> 14) и риск проникновения дендритов цинка. Пористые мембраны стали основными из-за их преимущества затрат (<¥ 500/квадратный метр): 1. Асимметричные мембраны, основанные на полисульфоне/полиакрилонитриле: слой кожи имеет размеры пор 50-150 нм (как описано Liu Zaichen), который блокирует Fe (Cn) ₆³⁻/⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ ⁴⁻ времен 2. МОДИФИЦИРОВАННЫЙ СЛОВОЙ: В патенте от Дальянского института химической физики слой кожи хитозана 20 мкм использует координацию гидроксила для направления равномерного осаждения Zn (OH) ₄²⁻, продлевая срок службы батареи от 20 циклов до более чем 150 циклов. 3. Трехмерная сшитая структура: например, композитная мембрана PBI/Polyether Sulfone в CN111261913A имеет модуль изгиба, превышающий 2 ГПа и повышенную устойчивость к проколам, в три раза больше, чем у Нафиона.

Методы оценки: 1. Возможность ингибирования дендрита: наблюдать морфологию осаждения цинка с использованием SEM, с шероховатостью поверхности, контролируемой до <50 нм (данные CN111261913A); 2. Ионная селективность: используйте соотношение миграционных номеров Zn²⁺/OH⁻> 500 в качестве эталона (по сравнению с ~ 10 для мембран Nafion), с кулоновской эффективностью> 98%; 3. Механическое тестирование: применить циклическое давление 2 МПа с скоростью изменения толщины мембраны <10% (GB/T32509-2016).

III: Органические аккумуляторы: инновации в молекулярном просеивании и ограниченном массопереносе

Материальная эволюция: Традиционные ионные обменные мембраны сталкиваются с узким местом с высокой проницаемостью (> 10⁻⁸ см²/с) для активных молекул, таких как производные хинолина (например, BQDS/Tempo) (как изучено Yang Dawei). Новые парадигмы включают в себя: 1. самостоятельные микропористые мембраны (PIMS): мембраны PIM на основе трифенилена, разработанные Университетом Цинхуа (Yang et al.), С размерами пор 0,8-1,2 нм демонстрируют низкий коэффициент проницаемости Quinoline 3 × 10⁻⁻ CM²/S, который приводит к основному коэффициенту 103; 2. Микропористые каркасные мембраны: такие как ковалентные органические рамки (COF-DQTB), с жесткими каналами (0,7 нм × 0,9 нм), достигнутыми подразделения ионов, проведя записи о эффективности энергии при 87% (как исследовали Zuo et al.); 3. Цвиттерионные мембраны: композитная мембрана Speek/Paes Speek/Paes (обзор Peng Kang) с дзета -потенциалом +15 мВ может одновременно отталкивать как положительные, так и отрицательные молекулы хинона/виолога.

Ключевые показатели: 1. Коэффициент проницаемости электроактивного материала: должен составлять менее 1 × 10⁻⁻² см²/с (проверенный с помощью метода адсорбции XE и тест на конкретную площадь поверхности BET); 2. Контроль сопротивления поверхности: менее 1 Ом · см² при 1 моль/л. Поддерживающий электролит, чтобы избежать потерь эффективности напряжения из -за потерь ионной проводимости; 3. Долгосрочная стабильность: непрерывная работа в течение 500 часов при потенциале окисления 1,5 В, при этом анализ FTIR показывает скорость удержания сульновой кислоты, превышающую 95%.