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科技日報記者 俞慧友
被視為公路工程“癌癥”、每年給國家?guī)頂?shù)百億元經(jīng)濟損失的膨脹土，今天已有望成為制備液體電池交換膜的重要“耗材”。8月7日，記者從長沙理工大學獲悉，該校能源與動力工程學院教授丁美，聯(lián)合復(fù)旦大學教授晁棟梁、南京理工大學教授程遠航，成功利用膨脹土及膨潤土等遇水膨脹原料，制備出了膨脹復(fù)合離子交換膜。實驗結(jié)果顯示，這類改性膜性能大幅高于現(xiàn)有商用膜性能。相關(guān)成果8月5日發(fā)表于國際學術(shù)期刊《先進能源材料》上。
膨脹土為一種不良土質(zhì)，因其失水時會發(fā)生迅速收縮開裂，吸水時又會急劇膨脹變形，極易導致道路路基和邊坡發(fā)生垮塌、滑坡等災(zāi)害問題。我國現(xiàn)有26個省區(qū)分布有這種特殊土質(zhì)，每年因膨脹土地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)百億元。膨脹土災(zāi)害治理，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注和攻關(guān)的熱點。
長沙理工大學有著交通和電力行業(yè)背景。長期從事大規(guī)模儲能液流電池研究的丁美，結(jié)合學校“交能融合”學科交叉發(fā)展理念，在深入了解學校膨脹土治理上的豐富經(jīng)驗和成果后發(fā)現(xiàn)，膨脹土作為天然礦物，具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)和表面負電荷，它的遇水膨脹特性恰是構(gòu)建離子選擇性傳輸通道的理想材料?；诖耍麄冮_展了以膨脹土及膨潤土等水環(huán)境膨脹材料為原料的膨脹離子交換膜產(chǎn)學研技術(shù)攻關(guān)。
丁美介紹，離子交換膜是液流電池的關(guān)鍵材料，也是電池循環(huán)壽命和轉(zhuǎn)換效率的決定性因素，隔膜必須基于離子選擇性、穩(wěn)定性和成本方面進行多方考量進行開發(fā)，才能滿足液流電池商業(yè)化需求。
通過“酸堿活化—離子插層”改性工藝，團隊將普通膨脹土的層間距精確調(diào)控至納米級，并大幅提升了其表面電荷密度。他們發(fā)現(xiàn)，膨脹土蒙脫石層間距會隨環(huán)境濕度動態(tài)變化。在隔膜中，這種變化與聚合物基質(zhì)在電解液中的膨脹行為高度同步。在對其進行改性后，膨脹土顆粒與聚合物基質(zhì)復(fù)合就形成了具有“呼吸”功能的共膨脹膜結(jié)構(gòu)。
丁美解釋，當電解液滲透導致聚合物膨脹時，膨脹土層狀結(jié)構(gòu)同步擴展，實時填補了因膨脹產(chǎn)生的孔隙。同時，其表面負電荷形成帶負電的“離子高速公路”則實現(xiàn)了質(zhì)子高效傳導與多價金屬離子的精準攔截。
晁棟梁則稱，技術(shù)的核心創(chuàng)新在于“聚合物-膨脹土共膨脹”的微觀作用機制：“這相當于給隔膜裝上了自適應(yīng)調(diào)節(jié)的‘納米閘門’。”有了“納米閘門”后，可化傳統(tǒng)膜材料的被動抵抗形變?yōu)槔门蛎浲粱蚺驖櫷僚蛎浱匦缘闹鲃又貥?gòu)篩分網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)維持最優(yōu)的離子傳輸路徑。
丁美表示，這種機理使改性膜在鐵基、硫基、鋅基等液流電池中表現(xiàn)尤為突出。從“災(zāi)害土”到“離子篩”，膨脹土改性膜實現(xiàn)了納米級協(xié)同變形的科學突破。實驗數(shù)據(jù)顯示，改性膜的離子選擇性比商業(yè)Nafion膜提高了2—3個數(shù)量級，全釩液流電池循環(huán)壽命相比Nafion膜提升了400%，鋅鐵液流電池能量效率突破了92%，容量衰減僅為0.0056%/次，鐵硫液流電池在高電流條件下容量提升了超5倍，能量效率提升了12%。
另悉，經(jīng)過數(shù)年攻關(guān)，團隊還成功將這一實驗室創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為了工業(yè)化產(chǎn)品。團隊創(chuàng)新設(shè)計了“懸浮液-熱定型”工藝，解決膨脹土或膨潤土等水環(huán)境膨脹顆粒在成膜過程中的團聚難題，并開發(fā)出了膨脹離子交換膜的卷對卷流延連續(xù)制膜產(chǎn)線。目前，該產(chǎn)線已完成小試和中試驗證，產(chǎn)線單卷膜材制備面積達數(shù)十平方米，產(chǎn)學研合作企業(yè)計劃規(guī)劃鋪開年產(chǎn)30萬平米的產(chǎn)線。
（受訪者供圖）
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