李先锋Joule: 低成本碳氢化合物膜实现大规模液流电池的长期储能！

未来太瓦级的液流电池部署将需要大幅降低成本，特别是低成本电解液和碳氢化合物离子交换膜。然而，碳氢化合物膜与新型液流电池化学在商业规模电池堆中的集成尚未得到证实。

在此，中科院大连化物所李先锋研究员等人报道了磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜的中试规模合成和卷对卷制造，并展示了其在千瓦级碱性锌铁氧化还原液流电池（AZIFB）中的卓越性能和长期稳定性。通过仔细控制磺化改性，作者获得了具有合理离子交换容量（IEC）的SPEEK膜。尽管SPEEK膜已作为质子传导膜在燃料电池中得到广泛研究，但这项工作首次报道了OH^–在碱性电解液中的快速传输及对其机理的基本理解。

研究表明，刚性聚合物链加上骨架的弱电荷特性和分散的阳离子交换基团诱导形成了连续的氢键网络，有利于通过Grotthuss机制传输OH^–，从而在SPEEK中提供高OH^–电导率，NMR光谱证实了这一点。此外，阳离子交换膜的电负性框架限制了OH^–的进入，这使膜在碱性介质中具有出色的稳定性。

图1. SPEEK膜的中试合成和制造

接下来，作者展示了SPEEK膜在AZIFB单电池和千瓦级电池堆中的卓越性能。其中，使用SPEEK膜的AZIFB单电池在80 mA cm^-2的电流密度下提供99.5% 的库仑效率和89.8% 的电压效率，高于使用Nafion 212膜的电池（80.9%）。

此外，基于5个单电池组装的300 W液流电池堆在40 mA cm^-2的电流密度下可稳定运行超过400个循环（800 h），4000 W电池堆在80 mA cm^-2下仍显示出97.8% 的平均库仑效率和85.5% 的平均能量效率。

成本分析证实，液流电池堆的成本显著降低，这将推动大型储能工厂液流电池系统的制造。总之，这项工作弥合了实验室规模电池组件开发和工业规模液流电池堆运行之间的差距，将激发基于低成本烃膜的下一代具有成本效益的液流电池的开发。

图2. SPEEK膜组装液流电池组的性能

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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