液流电池科普：什么是离子交换膜，为什么要重视液流电池电堆膜材料研究？

液流电池是一种电化学储能，它由电解液储罐、电泵、电堆、膜电极组件和电极组成，通过电解质在电池内部的流动与电极反应，实现能量的存储与释放。

在液流电池体系中，电解液的活性物质的量决定存储多少电量，活性物质损失较大就会导致电池容量衰减。

离子交换膜是全钒液流电池电堆核心部件，膜要具备“高离子选择性、高质子电导率、耐化学腐蚀、机械强度好、可控低溶胀及使用长寿命”等优点，其核心作用是通过离子交换膜的选择性，阻隔钒离子渗透污染，提升质子（氢离子 H+）电导率。

膜的离子选择性越高，活性物质跨膜扩散越少，充放电性能就越稳定；膜的离子选择性越低，活性物质渗透越严重，电池效率、容量、寿命就越差。

在保证足够质子电导率（低面电阻）的前提下，最大限度提升离子选择性，是当前液流电池科研重点领域。通过液流电池单电池测试台展开一系列膜材料测试研究，实现先进离子交换膜开发，对于推动液流电池产业化发展具有重要意义。

1、全氟磺酸离子交换膜

现阶段，商业化使用的离子交换膜主要是全氟磺酸离子交换膜。

全氟磺酸离子交换膜最早是美国杜邦公司开发的，开始是应用于氯碱电解行业、后来又应用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）领域，近十年来开始应用全钒液流电池领域。

全氟磺酸离子交换膜具有优异的化学稳定性和耐腐蚀性能，适合应用于化学环境比较严苛的液流电池体系。

不过，全氟磺酸离子交换膜也存在一些短板，钒离子渗透污染问题难以解决，而渗透会造成电解液活性物质损耗。

此前，国内液流电池所使用的全氟磺酸离子交换膜长期依赖从美国进口，存在“卡脖子”风险。随着国内电化学技术研究不断突破，全氟磺酸离子交换膜的大规模化国产替代也取得了显著进展

· 全氟磺酸离子交换膜

2、多孔离子传导膜

多孔离子传导膜运用“离子筛分传导”机理，对不同尺寸的离子进行筛分传导，实现活性物质和载流子的有效分离。

载流子氢离子是体系中的导电离子，多孔离子传导膜的作用就是只允许载流子氢离子（H+）双向通行，其他活性物质截留至各自电解液储罐，避免正负极钒离子渗透短路，这样既保障液流电池内部活性物质总量稳定，又显著提升电导效率。

多孔离子传导膜的选择性过程就像高速公路的限高杆，只允许符合要求的车辆双向通行。

当多孔离子传导膜的孔径尺寸＜电解液的活性物质尺寸，活性物质受阻隔，无法进行跨膜扩散，从而抑制电池容量衰减。

当多孔离子传导膜的孔径尺寸＞载流子尺寸，载流子氢离子（H+）畅通无阻进行跨膜迁移，实现高电流密度稳定运行。

这种孔径不大不小的多孔离子传导膜，兼顾了膜的高选择性与高传导率。

目前，我国科学家在该领域积累了大量核心专利，有利于推动我国液流电池产业高质量发展。

3、复合膜

多孔离子传导膜在现阶段大规模量产方面存在诸多挑战，比如，孔径的精确控制难度较高、高端制备原材料较少。有学者把目光转向复合膜研究，总体来说，有以下几个技术方向：

① 全氟磺酸离子交换膜复合改性

通过在基底加入二氧化硅、MOF、氧化石墨烯等无机填料，增强离子选择性，降低钒离子渗透，保持电解液活性物质稳定，提升液流电池的充放电性能和寿命耐久性。

② 新型非氟膜材料开发

磺化聚醚醚酮（SPEEK）是典型的非氟质子交换膜材料，只单独使用，则存在吸水溶胀严重、稳定性差的问题。

聚苯并咪唑（PBI）是高性能高分子聚合物，具有“几乎不吸水、不溶胀、拉伸强度高”的特点。

用SPEEK与PBI共混的办法，通过优势整合，实现新型非氟膜材料开发。

③ 多孔离子传导膜复合创新

通过在多孔基体引入无机纳米颗粒或聚合物，组成“多孔基底+功能性添加剂”，从而提升多孔离子传导膜的性能，实现更出色的液流电池性能表现。