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，由材料科学与工程学院丁美教授，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。相关研究结果于2020年3月29日在材料类著名期刊先进能源材料上发表（Advanced Energy Materials, 2020, 1904041, DOI: 10.1002/aenm.201904041，影响因子：24.884）。论文第一作者为我校与重庆大学联合培养博士生叶家业（由我校“省百人团队”全日制联合培养），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）。论文第一作者为我校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。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）。论文第一作者为我校与重庆大学联合培养博士生叶家业，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，其被评为2019年湖南省教育厅“优秀创新创业导师”。
材料科学与工程学院作为我校唯一研究型建设学院，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，尤其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。建院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，人才培养质量得到显著提升。
（文/图 贾传坤 审/张国强）
