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未來太瓦級的液流電池部署將需要大幅降低成本，特別是低成本電解液和碳氫化合物離子交換膜。然而，碳氫化合物膜與新型液流電池化學在商業規模電池堆中的集成尚未得到證實。

在此，中科院大連化物所李先鋒研究員等人報道了磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜的中試規模合成和卷對卷制造，并展示了其在千瓦級堿性鋅鐵氧化還原液流電池（AZIFB）中的卓越性能和長期穩定性。通過仔細控制磺化改性，作者獲得了具有合理離子交換容量（IEC）的SPEEK膜。盡管SPEEK膜已作為質子傳導膜在燃料電池中得到廣泛研究，但這項工作首次報道了OH^–在堿性電解液中的快速傳輸及對其機理的基本理解。

研究表明，剛性聚合物鏈加上骨架的弱電荷特性和分散的陽離子交換基團誘導形成了連續的氫鍵網絡，有利于通過Grotthuss機制傳輸OH^–，從而在SPEEK中提供高OH^–電導率，NMR光譜證實了這一點。此外，陽離子交換膜的電負性框架限制了OH^–的進入，這使膜在堿性介質中具有出色的穩定性。

圖1. SPEEK膜的中試合成和制造

接下來，作者展示了SPEEK膜在AZIFB單電池和千瓦級電池堆中的卓越性能。其中，使用SPEEK膜的AZIFB單電池在80 mA cm^-2的電流密度下提供99.5% 的庫侖效率和89.8% 的電壓效率，高于使用Nafion 212膜的電池（80.9%）。

此外，基于5個單電池組裝的300 W液流電池堆在40 mA cm^-2的電流密度下可穩定運行超過400個循環（800 h），4000 W電池堆在80 mA cm^-2下仍顯示出97.8% 的平均庫侖效率和85.5% 的平均能量效率。

成本分析證實，液流電池堆的成本顯著降低，這將推動大型儲能工廠液流電池系統的制造。總之，這項工作彌合了實驗室規模電池組件開發和工業規模液流電池堆運行之間的差距，將激發基于低成本烴膜的下一代具有成本效益的液流電池的開發。

圖2. SPEEK膜組裝液流電池組的性能

Low-cost hydrocarbon membrane enables commercial-scale flow batteries for long-duration energy storage, Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.02.016

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李先鋒Joule: 低成本碳氫化合物膜實現大規模液流電池的長期儲能！

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