質(zhì)子傳導(dǎo)膜

成果來源：清華大學(xué)王保國教授研究團隊

轉(zhuǎn)化作者：艷紅

說起質(zhì)子傳導(dǎo)膜，大多數(shù)人可能沒有聽說過，更不知道它是什么，能用來做什么。其實，它從外形上來看，可能跟我們平常見的半透明塑料紙差不多，但它可不是用來裝東西的，而是制作全釩液流電池（一種可以節(jié)能減排的電化學(xué)儲能技術(shù)）的關(guān)鍵材料。下面我們就來說這張看似普通的“小薄膜”到底有如何神通廣大的本領(lǐng)。

在當(dāng)今，電是維持整個社會正常運轉(zhuǎn)的必需能源，如果大面積停電，可想而知，我們的工作、生活乃至一切都將陷入癱瘓之中。但電作為一種不可再生的二次能源，并不能讓我們?nèi)≈槐M用之不竭，并且傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電，會產(chǎn)生大量污染物排放，容易對環(huán)境造成較大影響。而新興的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等清潔能源發(fā)電，雖然沒有環(huán)境危機，但是由于風(fēng)力時快時慢，太陽能在陰天時發(fā)電效果極差，并且夜晚不能發(fā)電，因此用風(fēng)能和太陽能發(fā)電時的電力系統(tǒng)極其不穩(wěn)定。那么生活中如何保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定呢？這就需要大規(guī)模的電能儲備系統(tǒng)和高效的管理控制方法。

大規(guī)模儲能不僅可以解決風(fēng)能、太陽能發(fā)電等可再生能源的大規(guī)模接入問題，起到節(jié)能減排的作用，而且還能幫助電力系統(tǒng)削峰填谷、大幅度提高電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，方便人們的工作和生活。電能儲備有物理儲能和電化學(xué)儲能兩種，抽水蓄能電站等物理儲能的發(fā)展因受到自然環(huán)境和社會因素的制約而逐漸放緩，而電化學(xué)儲能則因在適用性、效率、壽命、充放電、重量和便攜式方面更具優(yōu)勢，近年來發(fā)展突飛猛進(jìn)。據(jù)統(tǒng)計，我國電化學(xué)儲能項目的年增長率達(dá)到45%，在2016-2017年期間，我國規(guī)劃和在建的電化學(xué)儲能項目規(guī)模近1.6GW，占到全球規(guī)劃和在建規(guī)模的34%，有望在未來引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

全釩液流電池：

大容量儲能的新起之秀

全釩液流電池 （VRB）是一種大規(guī)模蓄電化學(xué)儲能裝備，是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Maria等人于1985年首次提出并發(fā)表的研究成果。全釩液流電池除了成本較高制約其快速發(fā)展外，它與目前常用的傳統(tǒng)鋰離子電池、鉛蓄電池相比，有著明顯的優(yōu)勢。首先，全釩液流電池更為安全。其電解液本身就不可燃，并且其“體外循環(huán)”的運行方式更利于散熱，避免了鋰離子電池因熱失控而著火、爆炸以及鉛蓄電池的鉛污染等隱患。其次，全釩液流電池特別適用于長時間的電能儲存，并且能量轉(zhuǎn)換效率高。與傳統(tǒng)電化學(xué)儲能系統(tǒng)2～4h的儲能時間相比，液流電池可達(dá)到6～8h，甚至10h以上。能量效率約80%，響應(yīng)速度快，適合大電流快速充放電。再者，全釩液流電池循環(huán)壽命特別長。通常鋰電池可以使用8～10年，而液流電池壽命可達(dá)20年左右。此外，全釩液流電池電解液的核心物質(zhì)——元素釩，在地球上儲量豐富，并且在電池運行過程中不損耗，電解液可循環(huán)利用，不存在資源瓶頸問題。全釩液流電池因其獨特優(yōu)點，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如平滑風(fēng)電場的電力輸出、光伏發(fā)電過程儲能、電動汽車充電站儲能、軍事用途蓄電儲能等。

說了這么多，那么到底這張輕輕的薄膜是用來做什么的？與全釩液流電池有什么關(guān)系？接下來我們就來揭曉答案。

質(zhì)子傳導(dǎo)膜：

全釩液流電池的關(guān)鍵材料

全釩液流電池的電堆關(guān)鍵材料主要有電解液、電極和雙極板、質(zhì)子傳導(dǎo)膜三部分。我們首先來看一下全釩液流電池的儲能原理：電池分別以含有四價釩離子/五價釩離子和二價釩離子/三價釩離子的硫酸水溶液作為正極、負(fù)極電解液。電池充電時正極電解液中的四價釩被氧化成五價釩，同時負(fù)極電解液中的三價釩被還原成二價釩;電池放電時則發(fā)生相反的電化學(xué)反應(yīng)。通過上述充電/放電過程的可逆電化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化。

那么在這個過程中，質(zhì)子傳導(dǎo)膜起著什么樣的作用呢？質(zhì)子傳導(dǎo)膜可以把正極電解液與負(fù)極電解液中不同價態(tài)的釩離子隔開，同時使電解液中的質(zhì)子（氫離子）通過，避免充電與放電過程中不同價態(tài)的釩離子交叉放電，從而減少能量損失。質(zhì)子傳導(dǎo)膜的性能對電池效率、壽命和成本有重要影響，其必需同時具備較好的導(dǎo)電性、阻釩性、穩(wěn)定性、限制水滲透性，并且要有較好的機械強度，能耐化學(xué)腐蝕、耐電化學(xué)氧化，保證較長循環(huán)壽命。另外材料價格也應(yīng)較為合理。

目前市面上的質(zhì)子傳導(dǎo)膜材料主要分為三類，包括 Nafion系列膜、非全氟型質(zhì)子傳導(dǎo)膜、納米尺度孔徑的多孔膜。Nafion膜雖然有優(yōu)異的電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性，但由于其釩離子滲透率高，導(dǎo)致儲能過程中自放電損失明顯，并且價格昂貴。非全氟型質(zhì)子傳導(dǎo)膜成本較低，易于制備，但其長期的穩(wěn)定性無法得到保證。近年來，清華大學(xué)王保國教授團隊用自主研發(fā)的聚偏氟乙烯（PVDF）納米多孔膜制備的質(zhì)子傳導(dǎo)膜規(guī)避了其他大部分制膜方法的弊端，有望成為制備滿足全釩液流電池多項要求的膜材料，進(jìn)一步推動大容量儲能——全釩液流電池的快速發(fā)展。