華東理工團隊攻克世界難題！非氟離子膜讓液流電池成本驟降80%
文章來源：賢集網 更新時間：2025-07-24 15:14:28
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在全球能源結構向清潔能源轉型的關鍵階段，大規模儲能技術已成為制約新能源產業發展的核心瓶頸。液流電池憑借其安全性高、循環壽命長、規模效應顯著等優勢，被公認為大規模儲能領域最具潛力的技術方案之一。然而，長期以來，液流電池的核心組件——離子傳導膜被國外含氟膜產品壟斷，這種局面不僅大幅推高了儲能系統的建設成本，更因含氟材料的特性帶來了嚴重的環境隱患。 華東理工大學科研團隊歷經多年潛心攻關，成功開發出具有自主知識產權的新型非氟多孔離子傳導膜，實現了從材料基礎研究到產業化應用的全鏈條突破，為我國乃至全球液流電池產業的可持續發展注入了強勁動力。 打破壟斷：能源轉型中的材料困境與突圍 傳統含氟膜材料憑借其出色的化學穩定性和一定的離子傳導能力，在液流電池領域占據主導地位。然而，這種材料的“光環”之下，隱藏著難以忽視的弊端。從環境角度看，含氟膜的生產過程堪稱“環境噩夢”，會排放大量有毒有害的氟化物氣體，對生產車間的工人健康和周邊生態環境造成嚴重威脅。更令人擔憂的是，含氟膜在使用壽命終結后，會成為難以降解的永久性污染物，在自然環境中留存數百年甚至更長時間，對土壤、水源等造成持久污染，與全球倡導的綠色低碳發展理念背道而馳。 從產業發展角度而言，完全依賴進口的含氟膜材料嚴重制約了我國液流電池產業的自主發展。國外廠商憑借技術壟斷地位，不僅對我國實施高價銷售策略，使液流電池的生產成本居高不下，影響了其在儲能市場的競爭力，還在關鍵時刻可能實施技術封鎖和供應限制，給我國新能源產業的安全穩定發展帶來極大風險。據相關數據顯示，僅液流電池用含氟膜一項，我國每年就要花費數十億元從國外進口，大量的資金外流不僅增加了產業負擔，更阻礙了我國在儲能領域自主創新能力的提升。 面對這樣的困境，華東理工大學科研團隊深知，要實現我國液流電池產業的突圍，必須在關鍵材料上取得自主創新。團隊成員們懷揣著“把論文寫在祖國大地上”的信念，毅然投身于新型離子傳導膜的研發工作。他們深知，這不僅是一項技術挑戰，更是關乎國家能源安全和產業發展的重大使命。經過無數次的實驗探索和理論分析，團隊最終另辟蹊徑，成功開發出新型非氟多孔離子傳導膜，打破了國外的技術壟斷，為我國液流電池產業的自主發展開辟了一條康莊大道。 技術革新：分子篩納米結構的獨特優勢與性能超越 華東理工大學科研團隊開發的新型非氟多孔離子傳導膜，從根本上改變了液流電池隔膜的技術路線，其核心在于采用了分子篩納米結構作為核心技術支撐。這一創新思路不僅避開了含氟材料帶來的環境風險，更在性能指標上實現了對國際主流產品的全面超越，展現出獨特的技術優勢。 分子篩是一種具有規整孔道結構的納米材料，其孔道尺寸精確可控，表面特性可通過修飾進行調節。團隊敏銳地意識到，這種材料的特性與離子傳導膜的性能需求高度契合。與傳統含氟膜的化學交換機制不同，新型非氟多孔離子傳導膜采用的是物理篩分機制，這一機制從根本上突破了傳統化學交換膜的技術局限。 在質子傳導方面，傳統含氟膜主要依靠化學基團進行質子傳遞，其傳導效率受到化學環境、溫度等多種因素的影響。而新型非氟多孔離子傳導膜利用分子篩材料的規整孔道結構，為質子傳導提供了高效的“通道”。通過精確控制孔道的尺寸和表面特性，使質子能夠在孔道內快速遷移，極大地提高了質子傳導效率。實驗數據顯示，新型材料的質子傳導率達到了進口含氟膜產品的2.7倍，這意味著在液流電池工作過程中，更多的質子能夠順利通過膜體，參與電化學反應，從而提高電池的能量轉換效率。 在活性物質阻隔方面，新型非氟多孔離子傳導膜同樣表現出色。活性物質是液流電池中參與能量轉換的關鍵成分，其在膜兩側的滲透會導致電池容量衰減、能量效率降低。傳統含氟膜雖然也能在一定程度上阻隔活性物質，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的通過。實驗表明，新型膜將活性物質的滲透率降低了一半以上，這大大減少了活性物質的損失，延長了液流電池的循環壽命，降低了電池的運行成本。 此外，新型非氟多孔離子傳導膜還具有優異的化學穩定性和機械性能。在液流電池的工作環境中，電解液往往具有一定的腐蝕性，這對膜材料的化學穩定性提出了很高要求。經過長期測試，新型膜在各種電解液環境中均能保持穩定的性能，不會發生明顯的降解或損壞。同時，其良好的機械性能確保了在電池組裝和運行過程中不易破損，提高了電池的可靠性。 原理突破：物理篩分機制的創新之道 新型非氟多孔離子傳導膜的出色性能，源于其獨特的技術原理——物理篩分機制。這一機制與傳統化學交換膜的技術路線有著本質區別，是團隊在長期研究中形成的創新性成果。 傳統化學交換膜主要依靠膜材料中的化學基團與質子等離子進行相互作用，實現離子的傳遞。這種機制雖然在一定條件下能夠實現離子傳導，但存在諸多局限性。一方面，化學交換過程容易受到環境因素的影響，如溫度、pH值等的變化會顯著影響離子傳導效率；另一方面，化學基團與活性物質之間可能發生相互作用，導致活性物質的損失和膜性能的衰減。此外，傳統化學交換膜的制備工藝復雜，成本較高，也限制了其在液流電池領域的進一步應用。 華東理工大學科研團隊創新性地利用分子篩材料的規整孔道結構，構建了基于物理篩分的離子傳導機制。分子篩材料的孔道尺寸精確、分布均勻，就像一個個精心設計的“篩子”，能夠根據離子的大小和特性進行選擇性透過。團隊通過精確控制分子篩的孔徑尺寸，使其剛好能夠允許質子等小分子離子通過，而對體積較大的活性物質分子起到有效的阻隔作用。這種物理篩分機制不受化學環境變化的影響，能夠在各種復雜條件下保持穩定的離子傳導性能和阻隔效果。 為了實現這一目標，團隊在分子篩材料的合成和修飾方面進行了大量的研究工作。首先，通過優化合成工藝，精確控制分子篩的晶體結構和孔道尺寸，確保孔道的均勻性和一致性。其次，對分子篩的表面特性進行修飾，通過引入特定的官能團，提高其對質子的親和性，促進質子在孔道內的快速遷移。同時，表面修飾還能減少活性物質與孔道表面的相互作用，進一步降低活性物質的滲透率。 物理篩分機制的應用，使得新型非氟多孔離子傳導膜在性能上實現了質的飛躍。質子傳導率的大幅提升和活性物質滲透率的顯著降低，直接帶來了液流電池能量效率和循環壽命的改善。在實際測試中，采用新型膜的液流電池系統能量效率比采用傳統含氟膜的系統提高了10%以上，循環壽命延長了50%以上，這一成果為液流電池在大規模儲能領域的廣泛應用奠定了堅實的技術基礎。 產業化之路：從實驗室到生產線的跨越 一項科研成果的真正價值，不僅在于實驗室里的優異數據，更在于能否成功實現產業化，服務于實際生產生活。華東理工大學科研團隊在新型非氟多孔離子傳導膜的研發過程中，始終秉持著產學研結合的理念，積極推動技術從實驗室向產業化的轉化，克服了一系列工程技術難題，最終實現了規模化生產。 在實驗室研究階段，團隊已經成功制備出性能優異的新型非氟多孔離子傳導膜樣品，但要實現規模化生產，面臨著諸多挑戰。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，容易發生團聚現象，這會導致膜材料的性能不均勻，影響產品質量。團隊通過大量的實驗研究，開發出了一種新型的分散技術，能夠將分子篩納米顆粒均勻地分散在基體材料中，有效避免了團聚問題。同時，在成膜過程中，通過優化工藝參數，如溫度、壓力、涂覆速度等，確保了膜的厚度均勻、表面平整，為膜的性能穩定性提供了保障。 規模化生產過程中的工藝控制也是一個關鍵環節。實驗室制備通常采用小批量、精細化的操作方式，而規模化生產需要在保證產品質量的前提下，提高生產效率、降低生產成本。團隊通過引入先進的自動化生產設備和在線監測系統，實現了對生產過程的精確控制。例如，在原材料配比、反應時間、干燥溫度等關鍵工藝參數的控制上，采用了計算機自動調節系統，確保了每一批次產品的性能一致性。同時，在線監測系統能夠實時監測膜的厚度、孔隙率等關鍵指標，及時發現生產過程中的問題并進行調整，大大提高了產品的合格率。 此外，團隊還在生產過程中注重環保和節能。新型非氟多孔離子傳導膜的生產過程不使用含氟材料，從源頭上避免了含氟膜生產過程中的環境污染問題。同時，通過優化生產工藝，降低了能源消耗和廢水、廢氣的排放，實現了綠色生產。據統計，與傳統含氟膜的生產相比，新型膜的生產過程能耗降低了30%以上，廢水排放量減少了50%以上，充分體現了綠色低碳的發展理念。 目前，新型非氟多孔離子傳導膜已實現年產5萬平方米的規模化生產能力，這一產能能夠滿足國內多家液流電池生產企業的需求。并且，該材料已在多家企業的液流電池產品中得到實際應用驗證，運行效果良好，得到了企業的高度認可。隨著生產規模的進一步擴大和工藝的不斷優化，新型膜的生產成本還將進一步降低，為其在更廣泛領域的應用創造有利條件。 在碳中和目標下，這樣的原創性突破具有更為深遠的意義。實現碳中和是全球共同的目標，需要各國在能源生產、消費、儲存等各個環節進行技術創新和模式變革。新型非氟多孔離子傳導膜的應用，將提高液流電池的性能和經濟性，促進可再生能源的大規模開發和利用，減少對傳統化石能源的依賴，從而降低碳排放，助力我國實現碳中和目標。同時，這一技術突破也將帶動相關產業的綠色發展，形成新的經濟增長點，推動我國經濟社會向綠色低碳轉型。 展望未來，隨著新型非氟多孔離子傳導膜技術的不斷完善和推廣應用，我國液流電池產業將迎來更加廣闊的發展前景。在技術上，團隊將繼續深入研究，進一步提高膜的性能，拓展其在不同類型液流電池中的應用；在產業上，將不斷擴大生產規模，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用。相信在不久的將來，我國在液流電池領域將實現從技術領先到產業領先的跨越，為全球能源轉型和碳中和目標的實現做出更大的貢獻。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_580746.html 來源：賢集網 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。 |
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