道路“癌症”膨胀土变身电池关键材料“耗材”

科技日报记者 俞慧友

被视为公路工程“癌症”、每年给国家带来数百亿元经济损失的膨胀土，今天已有望成为制备液体电池交换膜的重要“耗材”。8月7日，记者从长沙理工大学获悉，该校能源与动力工程学院教授丁美，联合复旦大学教授晁栋梁、南京理工大学教授程远航，成功利用膨胀土及膨润土等遇水膨胀原料，制备出了膨胀复合离子交换膜。实验结果显示，这类改性膜性能大幅高于现有商用膜性能。相关成果8月5日发表于国际学术期刊《先进能源材料》上。

膨胀土为一种不良土质，因其失水时会发生迅速收缩开裂，吸水时又会急剧膨胀变形，极易导致道路路基和边坡发生垮塌、滑坡等灾害问题。我国现有26个省区分布有这种特殊土质，每年因膨胀土地质灾害造成的经济损失高达数百亿元。膨胀土灾害治理，一直是业内关注和攻关的热点。

长沙理工大学有着交通和电力行业背景。长期从事大规模储能液流电池研究的丁美，结合学校“交能融合”学科交叉发展理念，在深入了解学校膨胀土治理上的丰富经验和成果后发现，膨胀土作为天然矿物，具有独特的层状结构和表面负电荷，它的遇水膨胀特性恰是构建离子选择性传输通道的理想材料。基于此，他们开展了以膨胀土及膨润土等水环境膨胀材料为原料的膨胀离子交换膜产学研技术攻关。

丁美介绍，离子交换膜是液流电池的关键材料，也是电池循环寿命和转换效率的决定性因素，隔膜必须基于离子选择性、稳定性和成本方面进行多方考量进行开发，才能满足液流电池商业化需求。

通过“酸碱活化—离子插层”改性工艺，团队将普通膨胀土的层间距精确调控至纳米级，并大幅提升了其表面电荷密度。他们发现，膨胀土蒙脱石层间距会随环境湿度动态变化。在隔膜中，这种变化与聚合物基质在电解液中的膨胀行为高度同步。在对其进行改性后，膨胀土颗粒与聚合物基质复合就形成了具有“呼吸”功能的共膨胀膜结构。

丁美解释，当电解液渗透导致聚合物膨胀时，膨胀土层状结构同步扩展，实时填补了因膨胀产生的孔隙。同时，其表面负电荷形成带负电的“离子高速公路”则实现了质子高效传导与多价金属离子的精准拦截。

晁栋梁则称，技术的核心创新在于“聚合物-膨胀土共膨胀”的微观作用机制：“这相当于给隔膜装上了自适应调节的‘纳米闸门’。”有了“纳米闸门”后，可化传统膜材料的被动抵抗形变为利用膨胀土或膨润土膨胀特性的主动重构筛分网络，动态维持最优的离子传输路径。

丁美表示，这种机理使改性膜在铁基、硫基、锌基等液流电池中表现尤为突出。从“灾害土”到“离子筛”，膨胀土改性膜实现了纳米级协同变形的科学突破。实验数据显示，改性膜的离子选择性比商业Nafion膜提高了2—3个数量级，全钒液流电池循环寿命相比Nafion膜提升了400%，锌铁液流电池能量效率突破了92%，容量衰减仅为0.0056%/次，铁硫液流电池在高电流条件下容量提升了超5倍，能量效率提升了12%。

另悉，经过数年攻关，团队还成功将这一实验室创新成果转化为了工业化产品。团队创新设计了“悬浮液-热定型”工艺，解决膨胀土或膨润土等水环境膨胀颗粒在成膜过程中的团聚难题，并开发出了膨胀离子交换膜的卷对卷流延连续制膜产线。目前，该产线已完成小试和中试验证，产线单卷膜材制备面积达数十平方米，产学研合作企业计划规划铺开年产30万平米的产线。

（受访者供图）