液流電池具有壽命長、成本低、安全可靠、響應迅速、功率與容量相互獨立等特點，是目前最有前景的大規(guī)模儲能技術(shù)之一。隔膜作為液流電池的關鍵材料之一，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口Nafion系列膜，存在成本高和活性離子交叉污染嚴重的關鍵問題。近日，由長沙理工大學材料科學與工程學院省團隊百人計劃丁美教授、賈傳坤教授和重慶大學孫立東教授共同主導，開發(fā)了一種低成本、高性能全氟磺酸基復合離子交換膜——Nafion/TiO2納米管復合膜，并應用于釩電池上。在120 mA cm–2電流密度下，釩電池能量效率高達84.4%，穩(wěn)定循環(huán)超過1400次，持續(xù)518小時以上，遠高于商業(yè)化Nafion膜。此外，在大幅提高了隔膜的離子選擇性能基礎上，隔膜成本大幅降低，具有廣泛的商業(yè)化應用前景。相關研究結(jié)果于2020年3月29日在材料類著名期刊先進能源材料上發(fā)表（Advanced Energy Materials, 2020, 1904041, DOI: 10.1002/aenm.201904041，影響因子：24.884）。論文第一作者為長沙理工大學與重慶大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生葉家業(yè)（由長理省百人團隊全日制聯(lián)合培養(yǎng)）。長沙理工大學材料學院丁美教授、賈傳坤教授、重慶大學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納米管復合膜形貌與結(jié)構(gòu)
為進一步研究摻加改性方法對隔膜性能影響，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，開發(fā)一種低成本、超穩(wěn)定的Nafion/氧化石墨烯復合膜。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700次容量保持在55.8%以上，遠高于商業(yè)化Nafion膜。相關研究結(jié)果于2020年3月13日在亞洲化學上發(fā)表（Chem Asian J. 2020, 15, 1–8, DOI: http://dx.doi.org/10.1002/asia.202000140）。論文第一作者為我校材料學院一年級碩士研究生樓雪純，2017級本科生喻粵生為論文第三作者。丁美教授和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復合膜示意圖
上述隔膜均為Nafion膜改性，仍然依靠進口“卡脖子”材料——Nafion。開發(fā)國產(chǎn)膜材料對液流電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展至關重要。團隊丁美教授和賈傳坤教授開發(fā)一種低成本綠色的磺化聚醚醚酮（SPEEK）/木質(zhì)素(lignin)復合模，并成功應用到液流電池上。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)出達到99.5 %的庫倫效率，經(jīng)過長時間循環(huán)后電池仍保持良好的性能。相關研究結(jié)果在材料類著名期刊膜科學上發(fā)表（Journal of Membrane Science, 2019, 572, 110–118，SCI一區(qū)，ESI 高被引論文）。論文第一作者為長沙理工大學與重慶大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生葉家業(yè)，長沙理工大學丁美教授、賈傳坤教授為共同通訊作者。
圖 3 SPEEK/lignin復合膜工作原理示意圖
上述研究工作得到了湖南省團隊百人計劃、湖南省高層次人才聚集工程、國家自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費、公路養(yǎng)護技術(shù)國家工程實驗室等項目的資助。
基于上述隔膜研究成果，丁美教授指導本科生團隊獲得2019年“互聯(lián)網(wǎng)+”國賽三等獎，并在2018年和2019年多次獲得挑戰(zhàn)杯，互聯(lián)網(wǎng)+等競賽省級一等獎。丁美教授被評為2019年湖南省教育廳“優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導師”。目前基于上述SPEEK改性隔膜正在與企業(yè)進行產(chǎn)學研合作洽談，有望盡快實現(xiàn)該類隔膜的批量生產(chǎn)，推進液流電池商業(yè)化發(fā)展。
材料科學與工程學院作為長理唯一研究型建設學院，學院一直實踐并探索以創(chuàng)新引領為核心的“三全”育人模式，把培養(yǎng)具有創(chuàng)新特質(zhì)的學生作為核心標準。特別注重引導研究生以產(chǎn)業(yè)和基礎研究關鍵問題為研究目標，聚焦研究前沿和“卡脖子”問題，挑戰(zhàn)領域難題。重點培養(yǎng)研究生的科研系統(tǒng)性、創(chuàng)新性和獨立性。3年來培養(yǎng)多名優(yōu)秀研究生在各自領域取得初步成果，獲得多項專業(yè)領域獎勵，顯著提升我校材料學院人才培養(yǎng)質(zhì)量。(文\賈傳坤文 審\張國強）
