【2024年成果总结】中南大学刘素琴教授课题组2024年液流电池重点研究成果总结

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【2024年成果总结】中南大学刘素琴教授课题组2024年液流电池重点研究成果总结

中南大学刘素琴教授课题组

2024年液流电池重点研究成果总结

作者简介

刘素琴，中南大学化学化工学院教授，博导，湖南省“钒储能电池材料工程中心”副主任，国家重点研发计划项目负责人，湖南省杰出青年，液流电池标委会成员。获省部级自然科学奖、科技进步奖等5项。多年来主要从事储能材料与器件化学、纳米功能材料化学方面的研究。在Angew. Chem.
Int. Ed.、Adv. Energy
Mater.、Adv. Funct.
Mater.、Chem. Commun.、J. Mater. Chem. A等发表SCI收录论文260余篇，授权国家发明专利23件，参编出版专著2部。本文总结了刘素琴教授课题组2024年度在液流电池领域的相关文章。

文献总结

1、调控聚苯并咪唑膜中的分子相互作用，用于高效钒氧化还原液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）

聚苯并咪唑（PBI）膜的紧密连接结构是其质子传导性差的根源，需要一种松弛膜结构的策略以显著提高质子传导率并保持其结构稳定性。因此，中南大学王珏和刘素琴教授研究团队提出了一种通过调节PBI膜内的分子相互作用来调控PBI膜结构并提高质子传导率的新策略。该团队通过依次用DMSO/水和酸处理PBI膜来调节PBI膜中的分子相互作用。制备的PBI膜的质子传导率提高了3850%（从1.9到76.3 mS cm^-1），在200 mA cm^-2下实现了80.5%的高能量效率。更重要的是，这项工作揭示了PBI膜的构效关系和提高质子传导率的机制，对VRFB膜的发展具有重要意义。

2、在钒氧化还原液流电池中溶剂/非溶剂策略实现优良聚苯并咪唑膜的本质 （点击论文名称查看全文赏析）

聚苯并咪唑（PBI）膜的紧密连接结构可以通过溶剂/非溶剂来松弛，以实现钒氧化还原液流电池（VRFB）的高质子电导率。然而，溶剂/非溶剂策略背后的本质并没有揭开。本研究，中南大学刘素琴&王珏团队基于膜中不同组分之间的相互作用，提出了一个分析PBI膜松弛配方效果的指导方针。根据指南，由DMSO/甲酰胺配方衍生的高效PBI膜对VRFB表现出了优异的性能，质子电导率提高了4300%（从1.93 mS cm^-1提高到83.33 mS cm^-1），用制备的膜组装的VRFB在200 mA cm^-2下实现了82.5%的能量效率。这项工作深刻地揭示了PBI膜的结构、性能和性能关系，对膜的开发具有重要价值。

3、钙钛矿中的可调B位阳离子用于调节钒氧化还原液流电池中的阳极反应动力学 （点击论文名称查看全文赏析）

钒氧化还原液流电池（VRFB）的实际性能仍然受到阳极的缓慢动力学和主要副反应的严重限制。在此，华北理工大学何章兴&中南大学刘素琴&中科院金属研究所唐奡联合通过实验和第一性原理计算，提出了SrBO₃（B=Ti，Zr，Hf）钙钛矿的B位管理策略，以促进阳极反应。随着B原子序数的增加，B–O键极性的增强和氧缺陷的增加可以促进钒离子的吸附，而B–O原子键轨道杂化的减弱促进了阳极反应的电荷转移。与SrTiO₃和SrZrO₃相比，SrHfO₃的超大颗粒和变形晶体降低了其催化作用。在SrBO₃钙钛矿中，SrZrO₃因其强的亲水性、大的表面积和所需的晶体结构的优势组合而在催化方面脱颖而出。此外，与200 mA cm^–2的空白电池相比，使用SrZrO₃的VRFB在300 mA cm^–2中表现出63.2%的优异能量效率（EE），EE增加了15%。这项工作为建立钒氧化还原反应所需的催化体系的结构和组成灵活性与可调钙钛矿性质之间的关系奠定了基础。

4、在聚苯并咪唑膜中构建水分子链用于钒氧化还原液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）

优化聚苯并咪唑(PBI)膜的质子电导率对实现性能优越、成本低廉的钒氧化还原液流电池(VRFB)的商业化具有重要意义。然而，PBI质子导电性差的根本原因，严重阻碍了其在VRFB中的应用，目前还没有得到解决。为了解决这一问题，中南大学刘素琴教授团队以KOH/乙醇为浇铸溶剂，通过去质子化策略切断PBI链之间的氢键，减弱PBI链之间的相互作用，增大PBI链内部的自由体积，从而形成水分子链。水分子链有效地促进了Grotthuss机制下的质子转移，使质子电导率提高了1400%以上。在80mA cm⁻²条件下，VRFB的能量效率从71.5%提高到83.3%，同时保持了膜阻隔钒离子渗透的能力，并保持了结构的稳定性。本研究是一种简便的膜优化策略，深入分析PBI膜的结构–性能关系对指导膜的发展具有重要意义。

论文列表

[1]Y.
Su, S. Liu, W. Zhu, K. Huang, D. Huang, P. Jiang, J. Liu, G. Yang, Z. He, J.
Wang, Regulating Molecular Interactions in Polybenzimidazole Membrane for
Efficient Vanadium Redox Flow Battery, ChemSusChem, (2024) e202401576.

[2]Y.
Su, S. Liu, W. Zhu, K. Huang, G. Mu, P. Jiang, J. Liu, G. Yang, Z. He, J. Wang,
Nature of Solvent/Nonsolvent Strategy in Achieving Superior Polybenzimidazole
Membrane for Vanadium Redox Flow Battery, ChemSusChem, (2025) e202402513.

[3]Y.
Jiang, Z. Liu, Y. Ren, A. Tang, L. Dai, L. Wang, S. Liu, Y. Liu, Z. He,
Maneuverable B-site cation in perovskite tuning anode reaction kinetics in
vanadium redox flow batteries, Journal of Materials Science & Technology
186 (2024) 199-206.

[4] Su, Y.; Liu, S.; Shao, B.; Zhu, W.; He, Z.; Wang, J.
Building Water Molecule Chains in Polybenzimidazole Membrane toward Superior
Vanadium Redox Flow Battery. Chemical Engineering Journal 2024, 485,
149838.https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149838

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