成果推介 | 高性能钒液流电池隔膜及其制备技术与应用

【痛点问题】

钒液流储能电池是国家能源领域重点发展项目，在风能、太阳能等再生能源利用、智能电网系统中占据着重要地位。我国目前已经是世界上最大的全钒液流电池的生产国，但是其高性能电池隔膜主要依靠进口。电池隔膜约占钒液流电池成本1/5，是决定电池性能的关键部件。杜邦公司Nafion膜垄断国内市场，价格昂贵，约800-1000$/m2。Nafion膜电化学性能好, 但是存在钒离子渗漏多，成本高，严重限制储能电池的应用。国内近年有企业开始生产钒液流电池隔膜，售价低于Nafion膜，其原理多为基于全氟磺酸树脂铺膜，工艺路线与Nafion系列膜并无明显差异，稳定性等不及Nafion，钒渗漏问题没有解决，实际使用前景不明。因此，相关储能产业急需性能稳定、钒离子渗漏少、成本低的液流电池隔膜。

【成果介绍】

利用辐射技术研制电池的离子交换隔膜，最早从日本原子能研究所开始，出发点是代替Nafion的工艺，制备性价比更高的膜材料。电离辐射技术，特别是基于电子加速器的电子束辐射加工技术，不使用催化剂/引发剂，室温操作，高效快速, 适合大量生产。目前辐射加工技术已广泛应用于各种工业材料的生产，如电线、电缆、轮胎、发泡材料、热收缩材料等行业。本项目是在早期辐射接枝技术制备离子交换膜的基础上，在工艺体系中使用功能化离子液体代替含有阴阳离子一般离子交换功能基团，成功制备出具有更高耐热、化学稳定性、良好导电性、极为优异抗钒离子渗漏的两性离子交换膜（HUST-IL膜），并且在钒液流电池中的实际电池测试实验中电池效率优于Nafion系列膜。需要特别指出的是，本项目在制备工艺方面取得了重要突破，不需要一般阳离子交换膜中的磺化工艺，非常环保，并且在工艺上成功发展出替代传统固液接枝反应的工艺体系，避免了接枝反应的复杂工艺和质量控制问题；本项目的工艺技术，使电池隔膜的辐射制备工艺从传统的辐射接枝转变为辐射交联工艺，通过铺膜和固体膜辐照即可完成制备，与现有电线电缆片材的辐射交联工艺通用，工艺简单，极易量产和推广。

【技术优势】

(1) 本项目所得到的HUST-IL隔膜产品，其钒离子渗透率比Nafion膜（Nafion115，117）降低约1200倍，导电率提高3倍以上，电池效率实现了对Nafion膜的超越；

(2) 在制备工艺方面的重要突破：不需要一般阳离子交换膜中的磺化工艺，非常环保，并且在工艺上成功发展出替代传统固液接枝反应的工艺体系，避免了接枝反应的复杂工艺和质量控制问题；

(3) 本项目电池隔膜的辐射制备工艺从传统的辐射接枝转变为辐射交联工艺，通过铺膜和固体膜辐照即可完成制备，与现有电线电缆片材的辐射交联工艺通用，工艺简单，极易量产和推广。

【市场前景】

本技术所制备的膜产品可以在钒液流储能电池、氢燃料电池、其他各种电池系统中作为隔膜使用，同时还可以作为高性能离子交换膜用于水处理、化工分离、电解解析等各种领域。特别指出的是，HUST-IL膜具有极好的热稳定性，非常适合作为高温体系燃料电池隔膜应用，将来有望在燃料电池体系中推广！