未來太瓦級的液流電池部署將需要大幅降低成本，特別是低成本電解液和碳氫化合物離子交換膜。然而，碳氫化合物膜與新型液流電池化學(xué)在商業(yè)規(guī)模電池堆中的集成尚未得到證實。
在此，中科院大連化物所李先鋒研究員等人報道了磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜的中試規(guī)模合成和卷對卷制造，并展示了其在千瓦級堿性鋅鐵氧化還原液流電池（AZIFB）中的卓越性能和長期穩(wěn)定性。通過仔細控制磺化改性，作者獲得了具有合理離子交換容量（IEC）的SPEEK膜。盡管SPEEK膜已作為質(zhì)子傳導(dǎo)膜在燃料電池中得到廣泛研究，但這項工作首次報道了OH–在堿性電解液中的快速傳輸及對其機理的基本理解。
研究表明，剛性聚合物鏈加上骨架的弱電荷特性和分散的陽離子交換基團誘導(dǎo)形成了連續(xù)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，有利于通過Grotthuss機制傳輸OH–，從而在SPEEK中提供高OH–電導(dǎo)率，NMR光譜證實了這一點。此外，陽離子交換膜的電負性框架限制了OH–的進入，這使膜在堿性介質(zhì)中具有出色的穩(wěn)定性。
接下來，作者展示了SPEEK膜在AZIFB單電池和千瓦級電池堆中的卓越性能。其中，使用SPEEK膜的AZIFB單電池在80 mA cm-2的電流密度下提供99.5% 的庫侖效率和89.8% 的電壓效率，高于使用Nafion 212膜的電池（80.9%）。
此外，基于5個單電池組裝的300 W液流電池堆在40 mA cm-2的電流密度下可穩(wěn)定運行超過400個循環(huán)（800 h），4000 W電池堆在80 mA cm-2下仍顯示出97.8% 的平均庫侖效率和85.5% 的平均能量效率。
成本分析證實，液流電池堆的成本顯著降低，這將推動大型儲能工廠液流電池系統(tǒng)的制造?？傊?，這項工作彌合了實驗室規(guī)模電池組件開發(fā)和工業(yè)規(guī)模液流電池堆運行之間的差距，將激發(fā)基于低成本烴膜的下一代具有成本效益的液流電池的開發(fā)。
Low-cost hydrocarbon membrane enables commercial-scale flow batteries for long-duration energy storage, Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.02.016
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