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成果:我校在大規模儲能液流電池隔膜領域取得系列進展

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2020-04-03 來源:材料學院

 

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模儲能技術之一。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,由材料科學與工程學院丁美教授,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%,穩定循環超過1400次,持續518小時以上,遠高于商業化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,具有廣泛的商業化應用前景。相關研究結果于2020329日在材料類著名期刊先進能源材料上發表(Advanced Energy Materials, 2020, 1904041, DOI: 10.1002/aenm.201904041,影響因子:24.884)。論文第一作者為我校與重慶大學聯合培養博士生葉家業(由我校“省百人團隊”全日制聯合培養),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。                

 

1 釩電池示意圖、TiO2納米管和Nafion/TiO2納米管復合膜形貌與結構 

 

為進一步研究摻加改性方法對隔膜性能影響,團隊丁美教授、賈傳坤教授與中科院北京納米能源與系統研究所孫其君教授合作,開發一種低成本、超穩定的Nafion/氧化石墨烯復合膜。該膜在厚度僅為商業化膜~80%的條件下,釩離子交叉污染比商業化Nafion膜顯著降低。在100 mA cm–2電流密度下,釩液流電池穩定循環超過700次容量保持在55.8%以上,遠高于商業化Nafion膜。相關研究結果于2020313日在亞洲化學上發表(Chem Asian J. 2020, 15, 1–8, DOI: )。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、中科院北京納米能源與系統研究所孫其君教授為共同通訊作者。

 

                                       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。開發國產膜材料對液流電池產業化發展至關重要。團隊丁美教授和賈傳坤教授開發一種低成本綠色的磺化聚醚醚酮(SPEEK/木質素(lignin)復合模,并成功應用到液流電池上。該膜表現出比Nafion優越的離子選擇性及顯著降低的釩離子滲透。在釩電池中表現出達到99.5 %的庫倫效率,經過長時間循環后電池仍保持良好的性能。相關研究結果在材料類著名期刊膜科學上發表(Journal of Membrane Science, 2019, 572, 110–118SCI一區,ESI 高被引論文)。論文第一作者為我校與重慶大學聯合培養博士生葉家業,丁美教授、賈傳坤教授為共同通訊作者。    

                                   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務費、公路養護技術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互聯網+”國賽三等獎,并在2018年和2019年多次獲得挑戰杯,互聯網+等競賽省級一等獎,其被評為2019年湖南省教育廳優秀創新創業導師

材料科學與工程學院作為我校唯一研究型建設學院,一直實踐并探索以創新引領為核心的三全育人模式,把培養具有創新特質的學生作為核心標準,尤其注重引導研究生以產業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,挑戰領域難題,重點培養研究生的科研系統性、創新性和獨立性。建院3年來培養多名優秀研究生在各自領域取得初步成果,獲得多項專業領域獎勵,人才培養質量得到顯著提升。

(文/  賈傳坤  /張國強)

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