多尺度调节对聚芳醚阴离子交换膜膜结构的影响及其在钒氧化还原液流电池中的性能表现

《ACS Applied Energy Materials》：Influence of Multiscale Tuning in Membrane Structure of Poly(arylene ether) Anion Exchange Membranes on Their Performance in Vanadium Redox Flow Batteries

聚芳香醚基阴离子交换膜（AEMs）在钒液流电池中具有抗钒离子性能和成本优势，但需平衡氧化稳定性、电导率和钒阻隔。通过多尺度结构调控（主链含/无甲基苯基、阳离子含甲基或十八烷基、微纳米多孔PE薄膜与离子膜的界面作用），发现无甲基苯基的聚芳香醚砜（BPA-PES）与咪唑基团结合的BPA-PES-IM膜，在氧化稳定性、电导率和钒阻隔方面表现优异，实现375次循环稳定运行，性能优于商业NEPEM膜，证实了该策略的有效性。

　　

基于聚芳烃醚的阴离子交换膜（AEMs）在钒氧化还原液流电池（VRFBs）领域表现出优于全氟磺酸（PFSA）膜的钒离子抗性，并且成本更低。然而，在氧化稳定性、导电性和钒离子阻隔性能之间实现良好平衡仍然是一个挑战。在这项研究中，我们调整了五种商用聚芳烃醚类材料，以探讨膜结构的多尺度调控对膜基本性能及其在VRFB中应用效果的影响。研究的三个关键尺度包括：是否含有侧链芳基甲基的骨架结构；阳离子基团是否为甲基或十八烷基；以及微孔聚乙烯（PE）超薄膜与具有不同侧链结构的离子聚合物之间的界面相互作用。实验结果表明，由于范德华力作用，弱极性烷基与PE界面之间的相互作用能够有效降低钒离子的渗透率，从而抑制了离子聚合物的过度膨胀。然而，这种作用力不足以支持电池超过100圈的循环使用，因为无法有效防止侧链芳基甲基的氧化。相比之下，将共轭咪唑鎓（IM）与不含侧链芳基甲基的聚芳烃醚砜（BPA-PES）的氧化惰性骨架结合后，所得的BPA-PES-IM衍生膜不仅具有良好的氧化稳定性、导电性，而且钒离子渗透率更低，从而实现了更长的自放电时间、更高的库仑效率和能量转换效率，比商用NEPEM性能更优。此外，该膜在VRFB中可稳定运行375圈（约212小时）。这些结果证实，将不含侧链芳基甲基的聚芳烃醚砜与咪唑鎓结合是一种有前景的策略，有助于在VRFB中实现成本与应用性能的平衡。