钒氧化还原液流电池（VRFB）是可再生能源高效存储最有前途的技术。
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VRFB中最常用的商业离子交换膜，如Nafion或全氟磺酸（PFSA），表现出高钒离子渗透率，导致电池性能和循环稳定性较差。 最近，中国深圳先进技术研究院的一组研究人员使用石墨烯基纳米材料开发了一种混合离子交换膜，显着提高了 VRFB 的性能。
随着使用可再生能源发电的持续趋势，对先进储能方法的兴趣已经上升。 随着消费者不断波动的需求，太阳能和风力发电很少能提供一致和即时的电力输送。 将可再生能源以可控方式储存以供后续输送到电网是目前发电行业解决这一问题的首选方法。
如何储存可再生能源？
全球超过 90% 的电网储存电力采用抽水蓄能方式。 在这里，能量以水的势能形式存储在高架水库（从低海拔水库泵出）中。 此类储能解决方案需要昂贵的基础设施，并且通常受到地理和环境因素的限制。
找到一种能够承受大量充电/放电循环而不损失容量的合适且可扩展的储能方法对于利用可再生能源的电力至关重要。
传统电池储能是第二首选的储能方式，约占全球电网储能的 5%。 然而，传统电池有一个主要缺点——更便宜和更重的铅酸技术在失去存储容量之前只能承受有限的循环次数，而基于锂的技术被证明对于大规模应用来说太昂贵了。
氧化还原液流电池是传统电池的卓越替代品
新兴的储能技术，如 VRFB，有望解决其中的一些问题。 与电解液密封在电池单元内的传统电池不同，氧化还原液流电池利用外部储存的液体电解液在需要发电时输送到电池中。
重要的是，这个概念确保了 VRFB 的功率输出和存储容量是独立的，因为输出功率取决于电解液流速和电池堆的配置，而电池容量仅取决于存储的电解液量。
VRFB 的工作原理
在各种可用的液流电池技术中，VRFB 是最可靠的，因为它们在电池中使用的两种液体电解质中使用相同的金属离子（钒），因此与使用不同的液流电池相比，减轻了可能的电解质交叉污染问题。 电解质。
VRFB 使用四种不同氧化态的钒离子 - 储存在负极电解质中的 V2+、V3+ 离子，以及储存在正极电解质中的 VO2+ 和 VO2+ 离子。 在电池组内，两种类型的电解质被离子交换膜隔开，该膜允许选择性离子交换，同时防止电解质交叉污染和阴极/阳极短路。
目前，Nafion 和其他基于 PFSA 的离子交换膜在 VRFB 中应用最广泛。 然而，这些膜表现出相当大的钒离子渗透性，这导致 VRFB 的寿命较短和性能不令人满意。
二维纳米片作为有效屏障
现在，中国深圳先进技术研究院的一个研究小组开发了一种混合离子交换膜，其中氧化石墨烯 (GO) 纳米片嵌入 PFSA 基质中，作为迁移钒离子的屏障。
由于其化学稳定性和大比表面积，GO 是一种很有前途的材料，可用于改变离子交换膜的形态和性能。然而，由于 GO 纳米片之间的强静电相互作用，即使浓度低至 0.01 wt%，纳米片在聚合物膜制造过程中也会聚集，从而降低这种混合膜的稳定性。
为了克服聚集问题，由李慧云教授领导的深圳研究小组使用了在 GO 纳米片表面原位生长的三氧化钨 (WO3) 纳米颗粒。纳米粒子屏蔽了 GO 纳米片之间的静电吸引力，同时增强了它们在聚合物基质中的亲水性和分散性。为了提高混合离子交换膜的机械性能，研究人员在 PFSA-GO-WO3 混合结构的中间嵌入了一层薄薄的聚四氟乙烯 (PTFE) 多孔层作为增强层。
纳米技术提高 VRFB 的性能
当李教授的团队测试新型混合膜的电化学性能时，他们发现生长在 GO 纳米片上的 WO3 纳米粒子充当质子活性位点，缩短了质子穿过膜的扩散路径。 直接比较两个相同 VRFB 电池的性能，一个与商业 Nafion 离子交换膜组装，另一个与新开发的膜组装，显示混合离子交换膜提供 88.9% 的能量效率，相比之下为 81% Nafion 膜。 同时，PFSA-GO-WO3膜在600次充放电循环后的容量衰减仅为0.07%/次，比Nafion膜（0.44%/次）低6倍。
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