液流電池離子交換膜發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

泰陽科技 2024-08-05 | 閱讀：548

通常液流電池是由多個(gè)單電池疊加起來組成的電池堆。電池堆可以再通過電和(或者)流體上的串并聯(lián)構(gòu)成更大規(guī)模的電池堆，其大小取決于具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

其中一個(gè)單電池的結(jié)構(gòu)是由雙極板、正電極、電解質(zhì)隔膜(或者離子交換膜)、負(fù)電極、和雙極板構(gòu)成的。其中電池系統(tǒng)的核心部分，則是由正電極、負(fù)電極和它們中間的電解質(zhì)隔膜構(gòu)成。

離子交換膜是液流電池和燃料電池裝置的重要結(jié)構(gòu)部件，這種帶有離子基團(tuán)的高分子薄膜材料通過選擇性透過離子從而實(shí)現(xiàn)電池結(jié)構(gòu)中完整回路的構(gòu)建。

今天給大家簡(jiǎn)單介紹一下質(zhì)子交換膜，如有不足歡迎大家加群交流探討。

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1. 離子交換膜分類

1.1. 全氟磺酸膜

全氟磺酸膜因其較高的電導(dǎo)率、較小的質(zhì)子傳導(dǎo)電阻和較好的機(jī)械強(qiáng)度成為主流選擇，是目前商業(yè)化的質(zhì)子交換膜類型。然而，其高成本限制了其在液流電池中的大規(guī)模應(yīng)用。

杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列膜是全氟磺酸膜的典型代表，Nafion系列膜由于化學(xué)穩(wěn)定性好、質(zhì)子電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)是目前全釩液流電池最為常用的離子交換膜，但其存在阻釩能力差、成本高等問題。因此對(duì)Nafion膜的離子交換能力進(jìn)行合理調(diào)控，通過改性的方法，在保留Nafion膜基礎(chǔ)優(yōu)異性能的同時(shí)提高Nafion膜阻釩能力，降低Nafion膜成本。

目前報(bào)道的多種Nafion膜修飾以及改性方法包括：原位溶膠-凝膠法、納米顆粒溶液澆鑄、層層自組裝聚電解質(zhì)、聚合物接枝以及聚合物共混等。其主要目的為在保持Nafion膜優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性的同時(shí)降低釩離子滲透率，或共混其他聚合物有意減少Nafion的用量，降低膜的成本。

1.2. 非氟類質(zhì)子交換膜

由于全氟磺酸膜的高成本，近年來非氟類質(zhì)子交換膜的研發(fā)備受關(guān)注。中科院大連化物研發(fā)的多孔離子傳導(dǎo)膜，具有較高的離子選擇性和電解液的容量保持率，為非氟類質(zhì)子交換膜的發(fā)展提供了新思路。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研人員設(shè)計(jì)的新型離子傳導(dǎo)膜，解決了傳統(tǒng)離子膜傳導(dǎo)性與選擇性的矛盾，使得電池充放電電流密度得以大幅提升，同時(shí)具備更好的穩(wěn)定性和耐老化性。

盡管非氟類質(zhì)子交換膜仍面臨著化學(xué)穩(wěn)定性等方面的挑戰(zhàn)，但其未來在降低成本、提高性能方面有望取得更大突破，進(jìn)一步推動(dòng)液流電池技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。

2. 離子交換膜工藝

目前工業(yè)中生產(chǎn)全氟磺酸質(zhì)子交換膜的方法，主要是用全氟磺酸樹脂通過熔融擠出法和流延法等方法制成膜。

熔融擠出法是最早用于制備全氟磺酸膜的方法，工藝成熟、生產(chǎn)效率高、環(huán)境友好，但生產(chǎn)的膜較厚，且擠出成型的膜需要經(jīng)過水解轉(zhuǎn)型才能得到最終產(chǎn)品，而水解工藝幾乎被美國(guó)和日本企業(yè)所壟斷。流延法成膜具有產(chǎn)品更薄、性能更好的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)產(chǎn)全氟磺酸膜企業(yè)東岳未來、科潤(rùn)新材料以及國(guó)潤(rùn)儲(chǔ)能均采用鋼帶流延法。

在生產(chǎn)工藝上，據(jù)公開信息，貴州志喜科技有限公司首創(chuàng)了濕法鑄膜法制備全氟磺酸膜，該產(chǎn)品采用全新工藝制備，具有拉伸強(qiáng)度高、電導(dǎo)率高、化學(xué)性能好等優(yōu)勢(shì)，還具有自增濕效果。經(jīng)測(cè)試，全氟離子膜在同等厚度尺寸下的機(jī)械強(qiáng)度超過傳統(tǒng)進(jìn)口膜的80%。

3. 離子交換膜相關(guān)企業(yè)

全氟磺酸膜供應(yīng)商主要包括科潤(rùn)新材、東岳未來、國(guó)潤(rùn)儲(chǔ)能、志喜科技、漢丞科技等，非氟類質(zhì)子交換膜也很多企業(yè)布局，比如國(guó)潤(rùn)儲(chǔ)能既可以生產(chǎn)全氟也可以生產(chǎn)無氟隔膜，主要供應(yīng)商及研究單位包括科潤(rùn)、大連物化所、時(shí)代新能、中和儲(chǔ)能、恒安儲(chǔ)能、星辰新能、振華化學(xué)、宿遷時(shí)代等。由于文章篇幅有限，簡(jiǎn)單給大家列舉一下相關(guān)企業(yè)，歡迎大家補(bǔ)充，后期將給大家詳述各企業(yè)及研究單位的布局。

蘇州科潤(rùn)新材料股份有限公司

山東東岳未來氫能材料股份有限公司

山西國(guó)潤(rùn)儲(chǔ)能科技有限公司

貴州志喜科技有限公司

浙江漢丞科技有限公司

中國(guó)科學(xué)院大連物化所

開封時(shí)代新能源科技有限公司

中和儲(chǔ)能科技有限公司

江蘇恒安儲(chǔ)能科技有限公司

北京星辰新能科技有限公司

湖北振華化學(xué)股份有限公司

宿遷時(shí)代儲(chǔ)能科技有限公司