【综述】Angew Chem:液流电池离子传导膜的化学与微观结构设计

2021-06-29 10:12:43



液流电池作为大规模电化学储能技术,在可再生能源并网消纳及电力供应削峰填谷方面具有突出的应用优势。离子传导膜是液流电池的重要组成部分:负责传递载流子,形成电流回路;同时阻隔正负极活性物质,防止交叉污染。因此,理想的液流电池膜应同时具备高离子传导率和高选择性。此外,在某些特定液流电池体系中,离子传导膜还需兼顾其他要求,如在腐蚀性电解液中的高化学稳定性、在非水体系中的良好耐溶剂性、以及优异的机械强度以抵抗枝晶生长(例如,锌、锂)及防止膜在长期运行中发生破损。然而,目前少有离子传导膜能满足上述严苛要求,且膜的离子传导率和选择性常常相互制约,成为阻碍液流电池发展及商业化的重要瓶颈。因此,开发高性能液流电池离子传导膜受到了广泛关注。

近日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授与湖南大学彭桑珊助理教授合作,以“A Chemistry and Microstructure Perspective on Ion Conducting Membranes for Redox Flow Batteries”为题,在化学类顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表综述,该文从液流电池膜的材料化学及微观结构设计角度出发,对近期报道的液流电池膜的设计原理、创新点以及膜的构-效关系等做了评述,并讨论了该领域未来的挑战和潜在的研究方向。

该综述旨在从分子水平上总结和理解近期为不同液流电池体系开发的离子传导膜。根据膜的分离层微观结构的差异,论文将液流电池膜分为致密型和多孔型(图1)。对于致密膜,该综述总结了如何通过膜材料的化学结构设计来调节膜内离子传输通道的化学特性和微观结构,包括聚合物主链和侧链的化学结构设计、分子间酸碱相互作用的构建、以及掺杂具有不同化学性质和几何结构的纳米材料。对于多孔膜,该综述总结了近年来这类膜在材料化学、微观结构及膜制备策略上的创新和进展,详细讨论了非溶剂相转化法的创新性研究、堆叠二维纳米材料构建毛细管状孔的最新进展、新型多孔膜制备策略及原理、以及最近提出的基于具有本征孔材料(如PIM和MOF)的多孔膜在液流电池中的研究进展。最后,该综述讨论了液流电池离子传导膜的发展趋势以及面临的问题,并对其研究前景进行了展望。

图1. 液流电池离子传导膜分类。

该综述对从事离子传导膜等相关领域研究的化学工作者有着十分重要的参考及借鉴意义。

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):
A Chemistry and Microstructure Perspective on Ion Conducting Membranes for Redox Flow Batteries
Ping Xiong, Leyuan Zhang, Yuyue Chen, Sangshan Peng and Guihua Yu
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202105619

作者介绍

余桂华,美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系,机械系终身教授,英国皇家化学学会会士(FRSC)和皇家物理学会会士(FInstP)。

余桂华教授课题组近些年致力于新型液流电池及其离子传导膜的研究和设计、新型功能化纳米材料的合理设计和合成等,综合了化学科学、材料科学和能源科学的跨学科研究,取得了开创性成果,在能源、环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Catalysis, Nature Sustainability, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today 等国际著名刊物上发表论文200余篇,论文引用~42,000次,H-index~107。

现任 ACS Materials Letters 副主编,是近二十个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委,如Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Chem, Cell Reports Physical Science (Cell Press), Nano Research (Springer), Science China-Chemistry, Science China-Materials, Nature Scientific Reports, Energy Storage Materials (Elsevier), Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH)等。


https://www.x-mol.com/university/faculty/37838



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