華東理工團(tuán)隊(duì)攻克世界難題！非氟離子膜讓液流電池成本驟降80%
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2025-09-15 15:18:19
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在全球能源結(jié)構(gòu)向清潔能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，大規(guī)模儲能技術(shù)已成為制約新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心瓶頸。液流電池憑借其安全性高、循環(huán)壽命長、規(guī)模效應(yīng)顯著等優(yōu)勢，被公認(rèn)為大規(guī)模儲能領(lǐng)域最具潛力的技術(shù)方案之一。然而，長期以來，液流電池的核心組件——離子傳導(dǎo)膜被國外含氟膜產(chǎn)品壟斷，這種局面不僅大幅推高了儲能系統(tǒng)的建設(shè)成本，更因含氟材料的特性帶來了嚴(yán)重的環(huán)境隱患。 華東理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年潛心攻關(guān)，成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜，實(shí)現(xiàn)了從材料基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的全鏈條突破，為我國乃至全球液流電池產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了強(qiáng)勁動力。 打破壟斷：能源轉(zhuǎn)型中的材料困境與突圍 傳統(tǒng)含氟膜材料憑借其出色的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的離子傳導(dǎo)能力，在液流電池領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，這種材料的“光環(huán)”之下，隱藏著難以忽視的弊端。從環(huán)境角度看，含氟膜的生產(chǎn)過程堪稱“環(huán)境噩夢”，會排放大量有毒有害的氟化物氣體，對生產(chǎn)車間的工人健康和周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。更令人擔(dān)憂的是，含氟膜在使用壽命終結(jié)后，會成為難以降解的永久性污染物，在自然環(huán)境中留存數(shù)百年甚至更長時間，對土壤、水源等造成持久污染，與全球倡導(dǎo)的綠色低碳發(fā)展理念背道而馳。 從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度而言，完全依賴進(jìn)口的含氟膜材料嚴(yán)重制約了我國液流電池產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展。國外廠商憑借技術(shù)壟斷地位，不僅對我國實(shí)施高價銷售策略，使液流電池的生產(chǎn)成本居高不下，影響了其在儲能市場的競爭力，還在關(guān)鍵時刻可能實(shí)施技術(shù)封鎖和供應(yīng)限制，給我國新能源產(chǎn)業(yè)的安全穩(wěn)定發(fā)展帶來極大風(fēng)險。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，僅液流電池用含氟膜一項(xiàng)，我國每年就要花費(fèi)數(shù)十億元從國外進(jìn)口，大量的資金外流不僅增加了產(chǎn)業(yè)負(fù)擔(dān)，更阻礙了我國在儲能領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力的提升。 面對這樣的困境，華東理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)深知，要實(shí)現(xiàn)我國液流電池產(chǎn)業(yè)的突圍，必須在關(guān)鍵材料上取得自主創(chuàng)新。團(tuán)隊(duì)成員們懷揣著“把論文寫在祖國大地上”的信念，毅然投身于新型離子傳導(dǎo)膜的研發(fā)工作。他們深知，這不僅是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，更是關(guān)乎國家能源安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大使命。經(jīng)過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)探索和理論分析，團(tuán)隊(duì)最終另辟蹊徑，成功開發(fā)出新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜，打破了國外的技術(shù)壟斷，為我國液流電池產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展開辟了一條康莊大道。 技術(shù)革新：分子篩納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)勢與性能超越 華東理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜，從根本上改變了液流電池隔膜的技術(shù)路線，其核心在于采用了分子篩納米結(jié)構(gòu)作為核心技術(shù)支撐。這一創(chuàng)新思路不僅避開了含氟材料帶來的環(huán)境風(fēng)險，更在性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了對國際主流產(chǎn)品的全面超越，展現(xiàn)出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。 分子篩是一種具有規(guī)整孔道結(jié)構(gòu)的納米材料，其孔道尺寸精確可控，表面特性可通過修飾進(jìn)行調(diào)節(jié)。團(tuán)隊(duì)敏銳地意識到，這種材料的特性與離子傳導(dǎo)膜的性能需求高度契合。與傳統(tǒng)含氟膜的化學(xué)交換機(jī)制不同，新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜采用的是物理篩分機(jī)制，這一機(jī)制從根本上突破了傳統(tǒng)化學(xué)交換膜的技術(shù)局限。 在質(zhì)子傳導(dǎo)方面，傳統(tǒng)含氟膜主要依靠化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行質(zhì)子傳遞，其傳導(dǎo)效率受到化學(xué)環(huán)境、溫度等多種因素的影響。而新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜利用分子篩材料的規(guī)整孔道結(jié)構(gòu)，為質(zhì)子傳導(dǎo)提供了高效的“通道”。通過精確控制孔道的尺寸和表面特性，使質(zhì)子能夠在孔道內(nèi)快速遷移，極大地提高了質(zhì)子傳導(dǎo)效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，新型材料的質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到了進(jìn)口含氟膜產(chǎn)品的2.7倍，這意味著在液流電池工作過程中，更多的質(zhì)子能夠順利通過膜體，參與電化學(xué)反應(yīng)，從而提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率。 在活性物質(zhì)阻隔方面，新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜同樣表現(xiàn)出色。活性物質(zhì)是液流電池中參與能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵成分，其在膜兩側(cè)的滲透會導(dǎo)致電池容量衰減、能量效率降低。傳統(tǒng)含氟膜雖然也能在一定程度上阻隔活性物質(zhì)，但效果并不理想。而新型膜利用分子篩的精確孔徑篩分作用，能夠有效阻擋活性物質(zhì)的通過。實(shí)驗(yàn)表明，新型膜將活性物質(zhì)的滲透率降低了一半以上，這大大減少了活性物質(zhì)的損失，延長了液流電池的循環(huán)壽命，降低了電池的運(yùn)行成本。 此外，新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜還具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能。在液流電池的工作環(huán)境中，電解液往往具有一定的腐蝕性，這對膜材料的化學(xué)穩(wěn)定性提出了很高要求。經(jīng)過長期測試，新型膜在各種電解液環(huán)境中均能保持穩(wěn)定的性能，不會發(fā)生明顯的降解或損壞。同時，其良好的機(jī)械性能確保了在電池組裝和運(yùn)行過程中不易破損，提高了電池的可靠性。 原理突破：物理篩分機(jī)制的創(chuàng)新之道 新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜的出色性能，源于其獨(dú)特的技術(shù)原理——物理篩分機(jī)制。這一機(jī)制與傳統(tǒng)化學(xué)交換膜的技術(shù)路線有著本質(zhì)區(qū)別，是團(tuán)隊(duì)在長期研究中形成的創(chuàng)新性成果。 傳統(tǒng)化學(xué)交換膜主要依靠膜材料中的化學(xué)基團(tuán)與質(zhì)子等離子進(jìn)行相互作用，實(shí)現(xiàn)離子的傳遞。這種機(jī)制雖然在一定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)離子傳導(dǎo)，但存在諸多局限性。一方面，化學(xué)交換過程容易受到環(huán)境因素的影響，如溫度、pH值等的變化會顯著影響離子傳導(dǎo)效率；另一方面，化學(xué)基團(tuán)與活性物質(zhì)之間可能發(fā)生相互作用，導(dǎo)致活性物質(zhì)的損失和膜性能的衰減。此外，傳統(tǒng)化學(xué)交換膜的制備工藝復(fù)雜，成本較高，也限制了其在液流電池領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。 華東理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用分子篩材料的規(guī)整孔道結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了基于物理篩分的離子傳導(dǎo)機(jī)制。分子篩材料的孔道尺寸精確、分布均勻，就像一個個精心設(shè)計(jì)的“篩子”，能夠根據(jù)離子的大小和特性進(jìn)行選擇性透過。團(tuán)隊(duì)通過精確控制分子篩的孔徑尺寸，使其剛好能夠允許質(zhì)子等小分子離子通過，而對體積較大的活性物質(zhì)分子起到有效的阻隔作用。這種物理篩分機(jī)制不受化學(xué)環(huán)境變化的影響，能夠在各種復(fù)雜條件下保持穩(wěn)定的離子傳導(dǎo)性能和阻隔效果。 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)在分子篩材料的合成和修飾方面進(jìn)行了大量的研究工作。首先，通過優(yōu)化合成工藝，精確控制分子篩的晶體結(jié)構(gòu)和孔道尺寸，確?？椎赖木鶆蛐院鸵恢滦?。其次，對分子篩的表面特性進(jìn)行修飾，通過引入特定的官能團(tuán)，提高其對質(zhì)子的親和性，促進(jìn)質(zhì)子在孔道內(nèi)的快速遷移。同時，表面修飾還能減少活性物質(zhì)與孔道表面的相互作用，進(jìn)一步降低活性物質(zhì)的滲透率。 物理篩分機(jī)制的應(yīng)用，使得新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜在性能上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。質(zhì)子傳導(dǎo)率的大幅提升和活性物質(zhì)滲透率的顯著降低，直接帶來了液流電池能量效率和循環(huán)壽命的改善。在實(shí)際測試中，采用新型膜的液流電池系統(tǒng)能量效率比采用傳統(tǒng)含氟膜的系統(tǒng)提高了10%以上，循環(huán)壽命延長了50%以上，這一成果為液流電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。 產(chǎn)業(yè)化之路：從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線的跨越 一項(xiàng)科研成果的真正價值，不僅在于實(shí)驗(yàn)室里的優(yōu)異數(shù)據(jù)，更在于能否成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，服務(wù)于實(shí)際生產(chǎn)生活。華東理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜的研發(fā)過程中，始終秉持著產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的理念，積極推動技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化，克服了一系列工程技術(shù)難題，最終實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)。 在實(shí)驗(yàn)室研究階段，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功制備出性能優(yōu)異的新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜樣品，但要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，納米材料的分散和成膜均勻性是首要難題。分子篩納米材料具有極高的表面能，容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，這會導(dǎo)致膜材料的性能不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量。團(tuán)隊(duì)通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)出了一種新型的分散技術(shù)，能夠?qū)⒎肿雍Y納米顆粒均勻地分散在基體材料中，有效避免了團(tuán)聚問題。同時，在成膜過程中，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，如溫度、壓力、涂覆速度等，確保了膜的厚度均勻、表面平整，為膜的性能穩(wěn)定性提供了保障。 規(guī)?；a(chǎn)過程中的工藝控制也是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)室制備通常采用小批量、精細(xì)化的操作方式，而規(guī)模化生產(chǎn)需要在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。團(tuán)隊(duì)通過引入先進(jìn)的自動化生產(chǎn)設(shè)備和在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的精確控制。例如，在原材料配比、反應(yīng)時間、干燥溫度等關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制上，采用了計(jì)算機(jī)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，確保了每一批次產(chǎn)品的性能一致性。同時，在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測膜的厚度、孔隙率等關(guān)鍵指標(biāo)，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的問題并進(jìn)行調(diào)整，大大提高了產(chǎn)品的合格率。 此外，團(tuán)隊(duì)還在生產(chǎn)過程中注重環(huán)保和節(jié)能。新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜的生產(chǎn)過程不使用含氟材料，從源頭上避免了含氟膜生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染問題。同時，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低了能源消耗和廢水、廢氣的排放，實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與傳統(tǒng)含氟膜的生產(chǎn)相比，新型膜的生產(chǎn)過程能耗降低了30%以上，廢水排放量減少了50%以上，充分體現(xiàn)了綠色低碳的發(fā)展理念。 目前，新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜已實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)5萬平方米的規(guī)模化生產(chǎn)能力，這一產(chǎn)能能夠滿足國內(nèi)多家液流電池生產(chǎn)企業(yè)的需求。并且，該材料已在多家企業(yè)的液流電池產(chǎn)品中得到實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，運(yùn)行效果良好，得到了企業(yè)的高度認(rèn)可。隨著生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大和工藝的不斷優(yōu)化，新型膜的生產(chǎn)成本還將進(jìn)一步降低，為其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。 在碳中和目標(biāo)下，這樣的原創(chuàng)性突破具有更為深遠(yuǎn)的意義。實(shí)現(xiàn)碳中和是全球共同的目標(biāo)，需要各國在能源生產(chǎn)、消費(fèi)、儲存等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和模式變革。新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜的應(yīng)用，將提高液流電池的性能和經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和利用，減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，從而降低碳排放，助力我國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。同時，這一技術(shù)突破也將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，推動我國經(jīng)濟(jì)社會向綠色低碳轉(zhuǎn)型。 展望未來，隨著新型非氟多孔離子傳導(dǎo)膜技術(shù)的不斷完善和推廣應(yīng)用，我國液流電池產(chǎn)業(yè)將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。在技術(shù)上，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入研究，進(jìn)一步提高膜的性能，拓展其在不同類型液流電池中的應(yīng)用；在產(chǎn)業(yè)上，將不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，降低成本，提高市場競爭力，推動液流電池在儲能市場的廣泛應(yīng)用。相信在不久的將來，我國在液流電池領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)從技術(shù)領(lǐng)先到產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先的跨越，為全球能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出更大的貢獻(xiàn)。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_580746.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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