钒电池用聚胺薄层复合膜研究

作者：滕祥国; 张良伟; 韩晓玉; 李郭威; 戴纪翠^*

来源：Acta Chimica Sinica, 2023, 1-14.

• 钒电池
• 聚胺
• 薄层复合膜
• 界面聚合
• 多孔膜

钒电池(VRB)具有容量和功率相互独立、易于模块化、寿命长和安全性高等优点，因此特别适合作为大规模储能系统使用. 隔膜是VRB的核心部件之一，对电池的综合性能和成本影响巨大. 全氟磺酸膜如Nafion(杜邦)具有化学稳定性高、电导率高和机械性能好等系列优点，因此是当前VRB中所广泛使用的商业化隔膜. 然而，Nafion用于VRB时存在着钒离子渗透率高和成本高两大主要缺点，严重制约了VRB的商业化进程. TFC(薄层复合)膜具有皮层和支撑层易调控、制备简单和离子选择性高等特点，特别适合于在VRB中使用. 然而传统的聚酰胺型TFC膜在VRB强酸电解液中存在潜在的水解和分解问题. 为了制备VRB用高稳定性TFC膜，本文以PEI (聚乙烯亚胺)和CC (三聚氯氰)作为两相单体，通过界面聚合法制备了不含酰胺基的聚胺型TFC膜并应用于VRB. 在此基础上，对所制备复合膜进行了钒离子渗透率、单电池充放电性能、化学稳定性和长期循环稳定性等物化性能及电化学性能研究. 结果表明：聚胺TFC膜(MT)的钒离子渗透系数为3.17×10-7 cm2 min-1，远小于基膜M0(30.89×10-7 cm2 min-1)和商业N115膜 (Nafion 115，10.91×10-7 cm2 min-1). MT膜在40 mA cm-2的电流密度下的EE(能量效率)高达86.2%，远高于M0(74.9%)和N115 (80.0%)膜. 化学稳定性测试表明MT膜钒离子渗透系数损失率为4.42%，低于M0(8.93%)和N115(4.86%). 在80 mA cm-2的电流密度下100次充放电循环内，所制备TFC膜具有稳定的库仑效率、电压效率和能量效率. 该TFC膜是理想的商业Nafion膜替代产品，在VRB中有良好的应用前景.

• 单位
  哈尔滨工业大学（威海）