液流電池具有壽命長、成本低、安全可靠、響應迅速、功率與容量相互獨立等特點，是目前最有前景的大規模儲能技術之一。隔膜作為液流電池的關鍵材料之一，決定了電池的性能和電堆成本。然而目前最常用隔膜材料為進口Nafion系列膜，存在成本高和活性離子交叉污染嚴重的關鍵問題。近日，由長沙理工大學材料科學與工程學院省團隊百人計劃丁美教授、賈傳坤教授和重慶大學孫立東教授共同主導，開發了一種低成本、高性能全氟磺酸基復合離子交換膜——Nafion/TiO2納米管復合膜，并應用于釩電池上。在120 mA cm–2電流密度下，釩電池能量效率高達84.4%，穩定循環超過1400次，持續518小時以上，遠高于商業化Nafion膜。此外，在大幅提高了隔膜的離子選擇性能基礎上，隔膜成本大幅降低，具有廣泛的商業化應用前景。相關研究結果材料類著名期刊先進能源材料上發表（Advanced Energy Materials, 2019, 1904041, DOI: 10.1002/aenm.201904041，影響因子：24.884）。論文第一作者為長沙理工大學與重慶大學聯合培養博士生葉家業（由長理省百人團隊全日制聯合培養）。長沙理工大學材料學院丁美教授、賈傳坤教授、重慶大學孫立東教授為共同通訊作者。
圖1 釩電池示意圖、TiO2納米管和Nafion/TiO2納米管復合膜形貌與結構
為進一步研究摻加改性方法對隔膜性能影響，團隊丁美教授、賈傳坤教授與中科院北京納米能源與系統研究所孫其君教授合作，開發一種低成本、超穩定的Nafion/氧化石墨烯復合膜。該膜在厚度僅為商業化膜~80%的條件下，釩離子交叉污染比商業化Nafion膜顯著降低。在100 mA cm–2電流密度下，釩液流電池穩定循環超過700次容量保持在55.8%以上，遠高于商業化Nafion膜。相關研究結果于2020年3月13日在亞洲化學上發表（Chem Asian J. 2020, 15, 1–8, DOI: http://dx.doi.org/10.1002/asia.202000140）。論文第一作者為長沙理工大學材料學院一年級碩士研究生樓雪純，2017級本科生喻粵生為論文第三作者。長沙理工大學丁美教授中科院北京納米能源與系統研究所孫其君教授為共同通訊作者。
圖 2 釩電池與Nafion/GO復合膜示意圖
上述隔膜均為Nafion膜改性，仍然依靠進口“卡脖子”材料——Nafion。開發國產膜材料對液流電池產業化發展至關重要。團隊丁美教授和賈傳坤教授開發一種低成本綠色的磺化聚醚醚酮（SPEEK）/木質素(lignin)復合模，并成功應用到液流電池上。該膜表現出比Nafion優越的離子選擇性及顯著降低的釩離子滲透。在釩電池中表現出達到99.5 %的庫倫效率，經過長時間循環后電池仍保持良好的性能。相關研究結果在材料類著名期刊膜科學上發表（Journal of Membrane Science, 2019, 572, 110–118，SCI一區，ESI 高被引論文）。論文第一作者為長沙理工大學與重慶大學聯合培養博士生葉家業，長沙理工大學丁美教授、賈傳坤教授為共同通訊作者。
圖 3 SPEEK/lignin復合膜工作原理示意圖
上述研究工作得到了湖南省團隊百人計劃、湖南省高層次人才聚集工程、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費、公路養護技術國家工程實驗室等項目的資助。
基于上述隔膜研究成果，丁美教授指導本科生團隊獲得2019年“互聯網+”國賽三等獎，并在2018年和2019年多次獲得挑戰杯，互聯網+等競賽省級一等獎。丁美教授被評為2019年湖南省教育廳“優秀創新創業導師”。目前基于上述SPEEK改性隔膜正在與企業進行產學研合作洽談，有望盡快實現該類隔膜的批量生產，推進液流電池商業化發展。
材料科學與工程學院作為長理唯一研究型建設學院，學院一直實踐并探索以創新引領為核心的“三全”育人模式，把培養具有創新特質的學生作為核心標準。特別注重引導研究生以產業和基礎研究關鍵問題為研究目標，聚焦研究前沿和“卡脖子”問題，挑戰領域難題。重點培養研究生的科研系統性、創新性和獨立性。3年來培養多名優秀研究生在各自領域取得初步成果，獲得多項專業領域獎勵，顯著提升我校材料學院人才培養質量。
文 賈傳坤 審 張國強
