全钒液流电池的质子传导膜研究进展_陆地

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1、第３４卷第６期膜科学与技术Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．６２０１４年１２月ＭＥＭＢＲＡＮＥＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＤｅｃ．２０１４檼檼檼檼殥殥檼檼殥专题综述殥檼檼檼檼全钒液流电池的质子传导膜研究进展陆地１，聂峰２，薛立新２＊（１．上海大学理学院，化学系上海２００４４４；２．中国科学院宁波材料技术与工程研究所，高分子与复合材料事业部，宁波３１５２０１）摘要：全钒液流电池（ＶＲＢ）作为一种大规模的蓄电储能设备，在新能源发电和电网调峰等方面有重要应用．质子传导膜是钒电池的关键材料，对电池的性能、成本和寿命有着十分重要的影响．文章在简单介

2、绍ＶＲＢ的基本组成和原理以及对隔膜的性能要求的基础上，主要论述了目前报道的几种ＶＲＢ隔膜材料及其改性方法，以及对电池性能的影响，最后对质子交换膜的发展方向和前景进行了总结和展望．关键词：全钒液流电池；质子传导膜；钒离子渗透；电池效率中图分类号：ＴＱ１５２文献标志码：Ａ文章编号：１００７－８９２４（２０１４）０６－０１１２－１０由于当前全球环境污染、化石燃料短缺、能源安全钒液流电池的电化学反应原理如下：全性等问题，可再生能源已经成为当今世界各国政２＋放电３＋０负极：Ｖ幑幐Ｖ＋ｅＥ＝０．２６Ｖ［１］，然而，由于太阳能、风能、充电府和科学家

3、关注的焦点放电潮汐能等可再生能源其自身的随机性和不稳定性，正极：ＶＯ＋＋２＋２＋２Ｈ＋ｅ幑幐ＶＯ＋Ｈ２Ｏ充电［２］使得它们的发展和广泛应用受到限制．需要高效、０Ｅ＝１．００４Ｖ大规模的能量储存设备为这些可再生能源的持续使放电总的化学反应式为：Ｖ２＋＋＋用提供技术支持．＋ＶＯ２＋２Ｈ幑幐充电全钒液流电池（简称ＶＲＢ）作为一种十分有前３＋２＋０Ｖ＋ＶＯ＋Ｈ２ＯＥ＝１．２７Ｖ景的大规模储能电池，最早是由澳大利亚新南威尔质子传导膜是全钒液流电池的关键材料，其作［３－５］士大学的Ｓｋｙｌｌａｓ－Ｋａｚａｃｏｓ教授等，于１９８５年用一是阻止正负极

4、电解液的交叉污染而导致的电池以Ｖ５＋／Ｖ４＋和Ｖ２＋／Ｖ３＋不同价态的钒离子溶液分＋自放电，二是为正负极电解液提供Ｈ的传输通道．别作为正负极电解质研制成功，并首先提出概念的．尽管目前对ＶＲＢ隔膜研究的文献报道比较全钒液流电池主要组成部分包括电解液，炭毡电极，多，但是市场上并没有适合ＶＲＢ的专用隔膜材料．离子交换膜以及将各单电池分隔的双极板；此外，还最早的全钒液流电池研究者使用杜邦生产的Ｎａｆｉｏｎ［６］包括循环泵，管路系统，电解液储罐等．全钒液流商品膜作为隔膜，应用到ＶＲＢ中表现出良好的性［１０］电池由于其寿命长、浓差极化小、灵活性好

5、、可深度能，但是也存在一些缺陷：一是Ｎａｆｉｏｎ膜的阻钒［７，８］放电、交叉污染小、稳定性好等优点而引起广泛能力较差，充放电过程中正负极电解液互相渗透，降关注，并在最近的１０年作为大规模的储能设备，在低电池效率；二是Ｎａｆｉｏｎ隔膜的水迁移现象比较严电网的昼夜调峰、电动汽车电源、太阳能和风力发电重，使得充放电过程中水不断从正极向负极迁移，引［９］站的蓄电等领域得到极大的发展及应用．起电解液浓度变化．收稿日期：２０１３－１２－２７；修改稿收到日期：２０１４－０３－２５基金项目：国家科技部科技支撑计划；国际合作计划和“８６３”计划；宁波市

6、委托重点工业攻关项目；国家自然科学基金面上项目；浙江省“千人计划”基金和宁波市基金第一作者简介：陆地（１９９０－），女，河南开封市人，硕士，从事全钒液流电池隔膜的研究．＊通讯作者，Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｅｌｘ＠ｎｉｍｔｅ．ａｃ．ｃｎ第６期陆地等：全钒液流电池的质子传导膜研究进展·１１３·针对Ｎａｆｉｏｎ膜的这些缺陷，国内外研究者一方离子透过的同时，又能够有效地降低不同价态钒离面对Ｎａｆｉｏｎ膜进行了一系列的改性，以提高该膜的子在膜两侧的相互渗透，交叉污染小，以保证电池的钒离子阻隔性，另一方面积极探索研究价格低廉的充放电效率；（４）水渗透率

7、低，充放电时保持阳极和［１１］新型隔膜材料．２０１０年，清华大学王保国教授对阴极电解液的水平衡；（５）成本低，机械强度高，循近几十年先后研发出的燃料电池和液流电池的含氟环寿命长等．高分子类、碳氢聚合物类、芳香烃聚合物类以及有目前大规模使用的全钒液流电池隔膜主要是全机／无机杂化材料四类质子传导膜进行了总结，并论氟磺酸离子交换膜及其改性膜，但包括芳香族阳离述了液流电池领域质子传导膜的研究进展，他指出子膜、阴离子膜、两性离子及非离子隔膜在内的多种质子传导膜材料已经成为新能源产业发展的“瓶隔膜，都是有潜力的替代者，以下对这几种质子传导颈”，并

8、且未来若干年将会有重大研发需求，具有化膜进行简单概述．学性质稳定、耐电化学氧化的质子传导膜必将走出２ＶＲＢ用质子传导膜研究进展实验室，逐渐实现规模化批量生产．２０１１年，中国科［１２］学院大连化物所张华民等课题组在其发表