電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報(bào)道，在全球能源結(jié)構(gòu)加速轉(zhuǎn)型的背景下，儲(chǔ)能技術(shù)已成為破解可再生能源波動(dòng)性難題的關(guān)鍵鑰匙。其中，全釩液流電池憑借其安全性高、壽命長(zhǎng)、規(guī)?？烧{(diào)等優(yōu)勢(shì)，被視為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域的核心解決方案。然而，這一技術(shù)長(zhǎng)期受制于核心材料——離子交換膜的卡脖子困境。

傳統(tǒng)全釩液流電池依賴美國(guó)杜邦公司的全氟磺酸膜（Nafion），其單價(jià)高達(dá)300-400美元/平方米，占電堆成本的30%-40%。這種膜雖具備優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，但存在釩離子滲透率高、自放電嚴(yán)重等問(wèn)題，導(dǎo)致電池能量效率難以突破。

離子交換膜作為液流電池的“心臟”，其性能直接決定著電池的整體表現(xiàn)。以往，離子交換膜在電導(dǎo)率和選擇性上難以兼顧，成為制約液流電池發(fā)展的關(guān)鍵因素。

好在中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所從材料源頭創(chuàng)新，以聯(lián)苯乙烯二苯基二磺酸二鈉為單體，通過(guò)預(yù)聚合、交聯(lián)、磺化三步工藝，開發(fā)出具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的非氟離子交換膜。這種膜不僅實(shí)現(xiàn)了磺酸基團(tuán)的高密度引入（有效酸含量達(dá)1.8-2.2mmol/g），更通過(guò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)將機(jī)械強(qiáng)度提升至35MPa以上，完全滿足電堆長(zhǎng)期運(yùn)行需求。

實(shí)驗(yàn)證明，采用該膜的電池庫(kù)侖效率達(dá)99.5%，能量效率達(dá)81.7%，性能參數(shù)與Nafion115膜相當(dāng)，但成本僅為后者的1/10。這一突破使全釩液流電池系統(tǒng)成本從3000元/kWh降至2000元/kWh以下，為商業(yè)化應(yīng)用掃清了最大障礙。

在提升基礎(chǔ)性能的同時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)實(shí)際工況中的痛點(diǎn)進(jìn)行定向優(yōu)化。傳統(tǒng)膜在長(zhǎng)期運(yùn)行中，非反應(yīng)區(qū)易因離子遷移形成晶體磨損，導(dǎo)致膜壽命縮短。

為此，該科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出納米陶瓷涂層技術(shù)，在膜的非反應(yīng)區(qū)涂覆由Al?O?和SiC組成的復(fù)合陶瓷層（粒徑5-50nm），配合環(huán)氧樹脂固化體系，使膜表面硬度提升至莫氏7級(jí)，抗壓強(qiáng)度提高40%。這種“智能分區(qū)”設(shè)計(jì)既保留了反應(yīng)區(qū)的高傳導(dǎo)性，又增強(qiáng)了非反應(yīng)區(qū)的機(jī)械穩(wěn)定性，使電堆循環(huán)壽命突破15000次，如果按每天1次充放電計(jì)算，壽命超40年。

制備工藝的革新是技術(shù)落地的關(guān)鍵，科研團(tuán)隊(duì)摒棄傳統(tǒng)Nafion膜的高溫磺化工藝，采用γ射線輻照交聯(lián)技術(shù)，在常溫下完成磺化改性。通過(guò)精確控制輻照劑量（500-50000Gray）和溶劑體系（N,N’-二甲基甲酰胺等極性高沸點(diǎn)溶劑），實(shí)現(xiàn)磺酸基團(tuán)的精準(zhǔn)定位分布。

這種綠色制備工藝不僅能耗降低60%，更使膜厚可控制在120-200μm范圍內(nèi)，厚度偏差小于±5%，為電堆的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。在遼寧法庫(kù)全球首套5MW/10MWh全釩液流電站中，采用該工藝的膜組件實(shí)現(xiàn)功率密度80mW/cm2，較進(jìn)口膜提升25%，驗(yàn)證了規(guī)?；a(chǎn)的可行性。

在促進(jìn)可再生能源消納方面，離子交換膜技術(shù)的作用同樣不可小覷。太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源雖然清潔環(huán)保，但發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性卻限制了它們的大規(guī)模接入電網(wǎng)。液流電池憑借其大容量、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，成為解決這一問(wèn)題的理想選擇。

而高性能的離子交換膜，讓液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠更高效地存儲(chǔ)可再生能源產(chǎn)生的多余電量。在陽(yáng)光充足或風(fēng)力強(qiáng)勁時(shí)，將多余的電能存儲(chǔ)起來(lái)；在能源需求高峰或可再生能源發(fā)電不足時(shí)，再將存儲(chǔ)的電能釋放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)能源的平滑輸出和靈活調(diào)配。這不僅提高了可再生能源的利用率，還增強(qiáng)了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，為能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型提供了有力支撐。

而技術(shù)突破所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益正在體現(xiàn)，以30kW級(jí)電堆為例，采用國(guó)產(chǎn)膜后成本較進(jìn)口膜降低30%，電解液循環(huán)利用率提升至95%，全生命周期成本下降40%。這使得全釩液流儲(chǔ)能在新疆、青海等風(fēng)光資源富集地區(qū)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，單個(gè)項(xiàng)目年消納新能源電量超3億千瓦時(shí)。

據(jù)測(cè)算，到2030年，我國(guó)非氟離子交換膜市場(chǎng)規(guī)模將突破50億元，帶動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)投資超2000億元。更深遠(yuǎn)的影響在于，這項(xiàng)技術(shù)為液流電池、鈉離子電池等新型儲(chǔ)能技術(shù)提供了關(guān)鍵材料支撐，推動(dòng)我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在全球競(jìng)爭(zhēng)中掌握核心話語(yǔ)權(quán)。

小結(jié)

當(dāng)非氟離子交換膜實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，全釩液流電池的度電成本將逼近抽水蓄能，其長(zhǎng)壽命、高安全特性將在新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的作用。隨著科研人員的不斷探索和創(chuàng)新，相信會(huì)有更多性能優(yōu)異、成本更低的離子交換膜材料被研發(fā)出來(lái)。這些技術(shù)的進(jìn)步，將持續(xù)推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更多的力量。