液流电池具有寿命长、成本低、安全可靠、响应迅速、功率与容量相互独立等特点，是目前最有前景的大规模储能技术之一。隔膜作为液流电池的关键材料之一，决定了电池的性能和电堆成本。然而目前最常用隔膜材料为进口Nafion系列膜，存在成本高和活性离子交叉污染严重的关键问题。近日，由新利luck在线·（中国）有限公司官网材料科学与工程学院省团队百人计划丁美教授、贾传坤教授和重庆大学孙立东教授共同主导，开发了一种低成本、高性能全氟磺酸基复合离子交换膜——Nafion/TiO2纳米管复合膜，并应用于钒电池上。在120 mA cm–2电流密度下，钒电池能量效率高达84.4%，稳定循环超过1400次，持续518小时以上，远高于商业化Nafion膜。此外，在大幅提高了隔膜的离子选择性能基础上，隔膜成本大幅降低，具有广泛的商业化应用前景。相关研究结果材料类著名期刊先进能源材料上发表（Advanced Energy Materials, 2019, 1904041, DOI: 10.1002/aenm.201904041，影响因子：24.884）。论文第一作者为新利luck在线·（中国）有限公司官网与重庆大学联合培养博士生叶家业（由长理省百人团队全日制联合培养）。新利luck在线·（中国）有限公司官网材料学院丁美教授、贾传坤教授、重庆大学孙立东教授为共同通讯作者。
图1 钒电池示意图、TiO2纳米管和Nafion/TiO2纳米管复合膜形貌与结构
为进一步研究掺加改性方法对隔膜性能影响，团队丁美教授、贾传坤教授与中科院北京纳米能源与系统研究所孙其君教授合作，开发一种低成本、超稳定的Nafion/氧化石墨烯复合膜。该膜在厚度仅为商业化膜~80%的条件下，钒离子交叉污染比商业化Nafion膜显著降低。在100 mA cm–2电流密度下，钒液流电池稳定循环超过700次容量保持在55.8%以上，远高于商业化Nafion膜。相关研究结果于2020年3月13日在亚洲化学上发表（Chem Asian J. 2020, 15, 1–8, DOI: http://dx.doi.org/10.1002/asia.202000140）。论文第一作者为新利luck在线·（中国）有限公司官网材料学院一年级硕士研究生楼雪纯，2017级本科生喻粤生为论文第三作者。新利luck在线·（中国）有限公司官网丁美教授中科院北京纳米能源与系统研究所孙其君教授为共同通讯作者。
图 2 钒电池与Nafion/GO复合膜示意图
上述隔膜均为Nafion膜改性，仍然依靠进口“卡脖子”材料——Nafion。开发国产膜材料对液流电池产业化发展至关重要。团队丁美教授和贾传坤教授开发一种低成本绿色的磺化聚醚醚酮（SPEEK）/木质素(lignin)复合模，并成功应用到液流电池上。该膜表现出比Nafion优越的离子选择性及显著降低的钒离子渗透。在钒电池中表现出达到99.5 %的库伦效率，经过长时间循环后电池仍保持良好的性能。相关研究结果在材料类著名期刊膜科学上发表（Journal of Membrane Science, 2019, 572, 110–118，SCI一区，ESI 高被引论文）。论文第一作者为新利luck在线·（中国）有限公司官网与重庆大学联合培养博士生叶家业，新利luck在线·（中国）有限公司官网丁美教授、贾传坤教授为共同通讯作者。
图 3 SPEEK/lignin复合膜工作原理示意图
上述研究工作得到了湖南省团队百人计划、湖南省高层次人才聚集工程、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、公路养护技术国家工程实验室等项目的资助。
基于上述隔膜研究成果，丁美教授指导本科生团队获得2019年“互联网+”国赛三等奖，并在2018年和2019年多次获得挑战杯，互联网+等竞赛省级一等奖。丁美教授被评为2019年湖南省教育厅“优秀创新创业导师”。目前基于上述SPEEK改性隔膜正在与企业进行产学研合作洽谈，有望尽快实现该类隔膜的批量生产，推进液流电池商业化发展。
材料科学与工程学院作为长理唯一研究型建设学院，学院一直实践并探索以创新引领为核心的“三全”育人模式，把培养具有创新特质的学生作为核心标准。特别注重引导研究生以产业和基础研究关键问题为研究目标，聚焦研究前沿和“卡脖子”问题，挑战领域难题。重点培养研究生的科研系统性、创新性和独立性。3年来培养多名优秀研究生在各自领域取得初步成果，获得多项专业领域奖励，显著提升新利luck在线·（中国）有限公司官网材料学院人才培养质量。
文 贾传坤 审 张国强
