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被視為公路工程“癌癥”、每年給國(guó)家?guī)頂?shù)百億元經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)沙理工大學(xué)獲悉，該校能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授丁美，聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)教授晁棟梁、南京理工大學(xué)教授程遠(yuǎn)航，成功利用膨脹土及膨潤(rùn)土等遇水膨脹原料，制備出了膨脹復(fù)合離子交換膜。實(shí)驗(yàn)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)能源材料》上。

膨脹土為一種不良土質(zhì)，因其失水時(shí)會(huì)發(fā)生迅速收縮開裂，吸水時(shí)又會(huì)急劇膨脹變形，極易導(dǎo)致道路路基和邊坡發(fā)生垮塌、滑坡等災(zāi)害問題。我國(guó)現(xiàn)有26個(gè)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(jì)損失高達(dá)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(diǎn)。

長(zhǎng)沙理工大學(xué)有著交通和電力行業(yè)背景。長(zhǎng)期從事大規(guī)模儲(chǔ)能液流電池研究的丁美，結(jié)合學(xué)?！敖荒苋诤稀睂W(xué)科交叉發(fā)展理念，在深入了解學(xué)校膨脹土治理上的豐富經(jīng)驗(yàn)和成果后發(fā)現(xiàn)，膨脹土作為天然礦物，具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和表面負(fù)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?，他們開展了以膨脹土及膨潤(rùn)土等水環(huán)境膨脹材料為原料的膨脹離子交換膜產(chǎn)學(xué)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(jìn)行多方考量進(jìn)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(tuán)隊(duì)將普通膨脹土的層間距精確調(diào)控至納米級(jí)，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(huì)隨環(huán)境濕度動(dòng)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(duì)其進(jìn)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(dāng)電解液滲透導(dǎo)致聚合物膨脹時(shí)，膨脹土層狀結(jié)構(gòu)同步擴(kuò)展，實(shí)時(shí)填補(bǔ)了因膨脹產(chǎn)生的孔隙。同時(shí)，其表面負(fù)電荷形成帶負(fù)電的“離子高速公路”則實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子高效傳導(dǎo)與多價(jià)金屬離子的精準(zhǔn)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(jī)制：“這相當(dāng)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(dòng)抵抗形變?yōu)槔门蛎浲粱蚺驖?rùn)土膨脹特性的主動(dòng)重構(gòu)篩分網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)維持最優(yōu)的離子傳輸路徑。

丁美表示，這種機(jī)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(shí)現(xiàn)了納米級(jí)協(xié)同變形的科學(xué)突破。實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(tuán)隊(duì)還成功將這一實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為了工業(yè)化產(chǎn)品。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“懸浮液-熱定型”工藝，解決膨脹土或膨潤(rùn)土等水環(huán)境膨脹顆粒在成膜過程中的團(tuán)聚難題，并開發(fā)出了膨脹離子交換膜的卷對(duì)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(yàn)證，產(chǎn)線單卷膜材制備面積達(dá)數(shù)十平方米，產(chǎn)學(xué)研合作企業(yè)計(jì)劃規(guī)劃鋪開年產(chǎn)30萬平米的產(chǎn)線。

（受訪者供圖）