液流電池具有壽命長(zhǎng)、成本低、安全可靠、響應(yīng)迅速、功率與容量相互獨(dú)立等特點(diǎn)，是目前最有前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一。隔膜作為液流電池的關(guān)鍵材料之一，決定了電池的性能和電堆成本。然而目前最常用隔膜材料為進(jìn)口Nafion系列膜，存在成本高和活性離子交叉污染嚴(yán)重的關(guān)鍵問(wèn)題。近日，由長(zhǎng)沙理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院省團(tuán)隊(duì)百人計(jì)劃丁美教授、賈傳坤教授和重慶大學(xué)孫立東教授共同主導(dǎo)，開(kāi)發(fā)了一種低成本、高性能全氟磺酸基復(fù)合離子交換膜——Nafion/TiO2納米管復(fù)合膜，并應(yīng)用于釩電池上。在120 mA cm–2電流密度下，釩電池能量效率高達(dá)84.4%，穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)1400次，持續(xù)518小時(shí)以上，遠(yuǎn)高于商業(yè)化Nafion膜。此外，在大幅提高了隔膜的離子選擇性能基礎(chǔ)上，隔膜成本大幅降低，具有廣泛的商業(yè)化應(yīng)用前景。相關(guān)研究結(jié)果材料類(lèi)著名期刊先進(jìn)能源材料上發(fā)表（Advanced Energy Materials, 2019, 1904041, DOI: 10.1002/aenm.201904041，影響因子：24.884）。論文第一作者為長(zhǎng)沙理工大學(xué)與重慶大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生葉家業(yè)（由長(zhǎng)理省百人團(tuán)隊(duì)全日制聯(lián)合培養(yǎng)）。長(zhǎng)沙理工大學(xué)材料學(xué)院丁美教授、賈傳坤教授、重慶大學(xué)孫立東教授為共同通訊作者。
圖1 釩電池示意圖、TiO2納米管和Nafion/TiO2納米管復(fù)合膜形貌與結(jié)構(gòu)
為進(jìn)一步研究摻加改性方法對(duì)隔膜性能影響，團(tuán)隊(duì)丁美教授、賈傳坤教授與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所孫其君教授合作，開(kāi)發(fā)一種低成本、超穩(wěn)定的Nafion/氧化石墨烯復(fù)合膜。該膜在厚度僅為商業(yè)化膜~80%的條件下，釩離子交叉污染比商業(yè)化Nafion膜顯著降低。在100 mA cm–2電流密度下，釩液流電池穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)700次容量保持在55.8%以上，遠(yuǎn)高于商業(yè)化Nafion膜。相關(guān)研究結(jié)果于2020年3月13日在亞洲化學(xué)上發(fā)表（Chem Asian J. 2020, 15, 1–8, DOI: http://dx.doi.org/10.1002/asia.202000140）。論文第一作者為長(zhǎng)沙理工大學(xué)材料學(xué)院一年級(jí)碩士研究生樓雪純，2017級(jí)本科生喻粵生為論文第三作者。長(zhǎng)沙理工大學(xué)丁美教授中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所孫其君教授為共同通訊作者。
圖 2 釩電池與Nafion/GO復(fù)合膜示意圖
上述隔膜均為Nafion膜改性，仍然依靠進(jìn)口“卡脖子”材料——Nafion。開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)膜材料對(duì)液流電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要。團(tuán)隊(duì)丁美教授和賈傳坤教授開(kāi)發(fā)一種低成本綠色的磺化聚醚醚酮（SPEEK）/木質(zhì)素(lignin)復(fù)合模，并成功應(yīng)用到液流電池上。該膜表現(xiàn)出比Nafion優(yōu)越的離子選擇性及顯著降低的釩離子滲透。在釩電池中表現(xiàn)出達(dá)到99.5 %的庫(kù)倫效率，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)后電池仍保持良好的性能。相關(guān)研究結(jié)果在材料類(lèi)著名期刊膜科學(xué)上發(fā)表（Journal of Membrane Science, 2019, 572, 110–118，SCI一區(qū)，ESI 高被引論文）。論文第一作者為長(zhǎng)沙理工大學(xué)與重慶大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生葉家業(yè)，長(zhǎng)沙理工大學(xué)丁美教授、賈傳坤教授為共同通訊作者。
圖 3 SPEEK/lignin復(fù)合膜工作原理示意圖
上述研究工作得到了湖南省團(tuán)隊(duì)百人計(jì)劃、湖南省高層次人才聚集工程、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。
基于上述隔膜研究成果，丁美教授指導(dǎo)本科生團(tuán)隊(duì)獲得2019年“互聯(lián)網(wǎng)+”國(guó)賽三等獎(jiǎng)，并在2018年和2019年多次獲得挑戰(zhàn)杯，互聯(lián)網(wǎng)+等競(jìng)賽省級(jí)一等獎(jiǎng)。丁美教授被評(píng)為2019年湖南省教育廳“優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師”。目前基于上述SPEEK改性隔膜正在與企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作洽談，有望盡快實(shí)現(xiàn)該類(lèi)隔膜的批量生產(chǎn)，推進(jìn)液流電池商業(yè)化發(fā)展。
材料科學(xué)與工程學(xué)院作為長(zhǎng)理唯一研究型建設(shè)學(xué)院，學(xué)院一直實(shí)踐并探索以創(chuàng)新引領(lǐng)為核心的“三全”育人模式，把培養(yǎng)具有創(chuàng)新特質(zhì)的學(xué)生作為核心標(biāo)準(zhǔn)。特別注重引導(dǎo)研究生以產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)研究關(guān)鍵問(wèn)題為研究目標(biāo)，聚焦研究前沿和“卡脖子”問(wèn)題，挑戰(zhàn)領(lǐng)域難題。重點(diǎn)培養(yǎng)研究生的科研系統(tǒng)性、創(chuàng)新性和獨(dú)立性。3年來(lái)培養(yǎng)多名優(yōu)秀研究生在各自領(lǐng)域取得初步成果，獲得多項(xiàng)專業(yè)領(lǐng)域獎(jiǎng)勵(lì)，顯著提升我校材料學(xué)院人才培養(yǎng)質(zhì)量。
文 賈傳坤 審 張國(guó)強(qiáng)
