隔膜材料在如今的生产生活中能够说是无处不在,从蔬菜大棚的薄膜,到汽车玻璃上的防爆膜,再到电子设备屏幕上的保护膜等等,各种各样的“膜”为咱们提供了极大的安全和便利。而很多人不知道的是,在我们手机电池里也有一张隔膜,用于防止电池短路,同时传输离子,它就是“离子膜”。
传统的离子膜材料,用于传导离子的通道不够“坚固”,长时间使用后,结构会发生老化,因此导致性能直线下降。中国科学技术大学徐铜文教授、杨正金教授团队与合作者设计了一类新型离子膜,可以让离子传输变得“又快又好”,有望大范围的应用于能源转化、大规模储能以及分布式发电等领域,该研究成果近日在国际学术期刊《自然》上发表。小小的一张膜蕴含了哪些高科技?我国离子膜的研发又将怎么来实现从“奋力追赶”到“弯道超车”?
离子膜是燃料电池和液流电池的核心部件,可以说每一块电池都少不了它,离子膜一方面用于阻隔正负极、防止电池短路,同时还能传输离子、保证电池的正常运转。研究团队负责人、中国科学技术大学教授杨正金介绍,离子膜是一种高分子膜材料,在清洁能源、节能减排、能量转换与储存等方面存在广泛的应用前景。
杨正金:离子膜实际上的意思就是一张用来传导离子的薄膜,类似保鲜膜这样的高分子膜材料,只不过它可以传导离子。电池里面都会有这张膜,就为了防止正极和负极非间接接触短路。海水淡化膜也是这样的,其实它也是选择性地传导离子,把离子从水里面脱除掉,把海水变成淡水,只不过发挥不同的功能,大类上是一类材料。
电池中的离子膜可以说肩负着重要“使命”,既要阻隔正负极间活性物质来防止短路,又要保证离子在充放电过程中高效通过、减少损耗,而传统离子膜都会存在“传导性”和“选择性”相互制约的难题,也就是说,传输的“好”与“快”很难兼得,杨正金用“筛子筛小球”来形象地比喻这一过程。
杨正金:我们大家可以把离子想象成一个小球,如果你想让小球穿过去,就得有一个小孔,如果这个孔做得很小,确实可以筛分不一样的尺寸的小球,但是它过去的速度就很慢,但如果你把孔做得很大,大球和小球同时都过去了,就没有选择性了。我们想第一个是保证它最大的选择性,能让正极和负极的材料很好地阻隔开;第二个是希望可以让这张隔膜的电阻尽可能小,这样内阻的损耗,电池的发热、效率等等都会有明显改善。
锚定这个目标,研究团队历经多年探索,不断试错和改进,最终创新性地设计出一种具有贯通亚纳米离子通道的“微孔框架离子膜材料”,解决了传统离子膜材料中离子通道老化和吸水溶胀的问题。与此同时,团队在离子通道壁面进行了化学修饰,使离子在膜内的扩散系数接近在水中的状态,实现了近乎“零摩擦”的传导,电池充放电电流密度达到当前普遍报道值的5倍以上。
杨正金:我们现在开发的这样一种材料就类似海绵,有非常多的孔道结构,它这种孔道还不是柔软的孔,是刚性的很硬的孔,能保持住它的结构不会变形。提高了选择性以后,我们在孔里面再引入一些基团,让离子跨膜传输的阻力变小,就像我们人过河一样,在中间加一些跳板,加一些石墩,我踩着这些跳板和石墩就可以过去。最大的一个贡献是我们把整个电阻降低到就没有摩擦的最低程度,就像我们手机快充一样,它现在可以在很大的电流密度下充放电,这样电池充满的时间就会缩短很多。同时它的电阻小、内耗小,能量效率就很高。
杨正金介绍,这种新型离子膜材料更“坚固”的结构和更高的充放电效率,让大规模储能成为可能,如果与光伏发电等强强联合,有望解决太阳能、风能发电的间歇性问题。
杨正金:太阳能和风能没有很好的方法直接大规模应用,它有波动性和间歇性,白天有太阳,晚上没有太阳,我们就需要有一个储能的容器把这些电储存起来。那么用到电池方面,就涉及电池的储能效率,涉及快速充放电、快速响应的过程。因为太阳能和风能属于清洁能源,把这种波动的能量变成相对来说比较稳定的输出,这样我们才可以直接利用,以前都是受限于储能过程。
我国的离子膜研究起步于1958年,直到上世纪末,还与发达国家存在比较大差距。新世纪以来,在我国科学家的不懈努力下,国产离子膜研究正在实现弯道超车,并有望实现从“并跑”到“领跑”的跨越。杨正金说,当前,研究团队正着手将科研成果从“实验室”推向“生产线”,真正助力我国“双碳”目标的实现。
杨正金:目前在基础研究方面,这个膜还有再提升的空间,比如说现在还是一个弯弯曲曲的孔道,将来的目标是做成垂直贯通的,进一步把电阻降到最低。另外,在应用方面,我们想的是把这个隔膜材料在中试规模的电堆上去应用,我们有信心能够在2025年实现这个材料至少在工业园区的应用。我们也希望可以尽快推向市场,这样不光是实现成果的转化,同时也能够真真切切地把科学技术变成最终的生产力。
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