液流电池中离子交换膜的技术要求及发展方向.docx

液流电池中离子交换膜的技术要求及发展方向离子交换膜是液流电池中的重要结构部件，其可以分隔正负极电解液，并通过选择性透过离子，从而实现电池结构中完整回路的构建,同时阻碍了电解液间不同价态机离子因交叉污染引起的自放电现象。以全机液流电池为例，理想的全机液流电池隔膜需要具备以下特征：（1）低机离子渗透率，减少由机离子的跨膜运输导致的污染；（2）优异的化学稳定性，高机械强度，使得薄膜在酸性条件下的寿命长，从而增长电池寿命；（3）高离子电导率与良好的离子选择性，使得电池效率高；（4）低水通量，在充放电过程中，使得阴、阳两极电解液保持平衡；（5）加工生产成本低，有利于隔膜的广泛应用。图表:机电池离子膜主要性能要求关键指标性能要求肌离子渗透率对肌离子和水分子的渗透率要低，降低自放电倾向选择性离子传输能力对离子或选择性阴离子（硫酸根离子）有高的传输能力,减小膜的电阻，降低因膜内阻造成的效率损失，提高电池效率化学稳定性优良的循环稳定性和化学稳定性,使得薄膜在酸性条件下的寿命长制造成本较低的制造成本，有利于隔膜和机电池的广泛应用根据附着于膜上离子官能团的带电情况，离子交换膜可以分为阳离子交换膜、阴离子交换膜以及两性离子交换膜：目前钢液流电池大都选用阳离子交换膜，阳离子交换膜中起离子传输作用的是带负电的基团（磺酸基-S03H,竣基-COOH,酚羟基-OH等），阳离子交换膜具有良好的化学稳定性和离子传输能力，但对机离子的选择性较差，机离子在膜中的通量较高；阴离子交换膜中起离子传输作用的是带正电的基团（如:季胺基-NRH3等能解离出氢氧根离子的基团），阴离子交换膜允许阴离子（如:硫酸根离子）作为电荷载体形成闭合回路，有效地抑制钢离子的扩散，但电导率较低，内阻较大；两性离子交换膜拥有两种类型的官能团，带正电的官能团能阻挡机离子传输，从而抑制肌离子的交叉污染，而带负电的官能团可以保证较高的离子传导率，增强膜的导电性。然而，离子传输能力与离子选择性具有矛盾性，很难兼顾，导致两性离子交换膜两种官能团的配比多样，膜制造工艺复杂，成本较高。图表:离子交换膜比较隔膜类型优点缺点代表膜材质阳离子交换膜良好的化学稳定性、离子传输能力强离子选择性较差全氟磺酸膜阴离子交换膜离子选择性强，防止铀离子的交叉污染电导率较低内阻大季俊盐功能化膜两性离子交换膜具备阳离子、阴离子交换膜的优点，离子传输能力和离子选择性方膜制造工艺复杂成本较高磺化聚酰亚胺膜面较好全机液流电池用离子交换膜主要可分为含氟离子交换膜和非氟离子交换膜。在含氟离子交换膜中，按照膜材料树脂氟化程度的不同,可以大体分为全氟磺酸离子交换膜、部分氟化离子交换膜和非氟离子交换膜三类。1、全氟磺酸离子交换膜：全氟磺酸离子交换膜是指采用全氟磺酸树脂制成的离子交换膜。一般来讲在高分子材料中，碳-氟键的键能远远高于碳-氢键的键能(c-F:485kj/molC-H:86kjmol),树脂材料的氟化程度越高，其耐受化学氧化和电化学氧化的能力越强。全氟高分子材料(树脂)是指材料中的CT键全部被CT键取代，所以表现出优异的化学特别是电化学稳定性。2、部分氟化离子交换膜：部分氟化的离子交换膜具有较低的成本，同时具有良好的化学稳定性能，从而可以应用在全钢液流电池中。3、非氟离子交换膜：相较于全氟材料，非氟离子交换膜源头采用非氟树脂材料，摒弃了传统含氟材料所存在的弊端从根本上降低成本。非氟离子交换膜具有离子选择性高、机械稳定性好及成本低廉等特点，较早应用于燃料电池体系中。机电池的商用隔膜主要为全氟磺酸膜，商业领域广泛采用的是以美国杜邦公司生产的Nafion膜为代表的全氟磺酸膜。目前，离子交换膜的国产化主要集中在主流需求的全氟磺酸离子交换膜的生产以及技术攻关上，国家能源局、国网能源研究院也表示全国产化液流电池隔膜实现突破。由于氟化膜价格较高，近几年，多孔离子传导膜、非氟化膜的研发也在不断增多。中和储能“非氟离子交换膜”源头采用非氟树脂材料，摒弃了传统含氟材料所存在的弊端，在性能测试方面，通过多层次结构设计，成功解决了过去非氟离子交换膜材料化学稳定性、离子传导率和离子选择性的不足，电池性能达到Nafion膜水平的同时，成本降低80%以上,是当前含氟离子交换膜的理想替代,为液流电池、高温燃料电池、金属离子分离等领域提供了低成本、可持续的解决方案。公司现已交付客户60厘米宽幅产品，根据客户的反馈，该产品稳定性优于市面上其他全氟膜，成功帮助客户降低终端产品成本，提升竞争力。创