液流電池科普：什么是離子交換膜，為什么要重視液流電池電堆膜材料研究？

液流電池是一種電化學儲能，它由電解液儲罐、電泵、電堆、膜電極組件和電極組成，通過電解質在電池內部的流動與電極反應，實現能量的存儲與釋放。

在液流電池體系中，電解液的活性物質的量決定存儲多少電量，活性物質損失較大就會導致電池容量衰減。

離子交換膜是全釩液流電池電堆核心部件，膜要具備“高離子選擇性、高質子電導率、耐化學腐蝕、機械強度好、可控低溶脹及使用長壽命”等優點，其核心作用是通過離子交換膜的選擇性，阻隔釩離子滲透污染，提升質子（氫離子 H⁺）電導率。

膜的離子選擇性越高，活性物質跨膜擴散越少，充放電性能就越穩定；膜的離子選擇性越低，活性物質滲透越嚴重，電池效率、容量、壽命就越差。

在保證足夠質子電導率（低面電阻）的前提下，提升離子選擇性，是當前液流電池科研重點領域。通過液流電池單電池測試臺展開一系列膜材料測試研究，實現離子交換膜開發，對于推動液流電池產業化發展具有重要意義。

1、全氟磺酸離子交換膜

現階段，商業化使用的離子交換膜主要是全氟磺酸離子交換膜。

全氟磺酸離子交換膜是美國杜邦公司開發的，開始是應用于氯堿電解行業、后來又應用于質子交換膜燃料電池（PEMFC）領域，近十年來開始應用全釩液流電池領域。

全氟磺酸離子交換膜具有優異的化學穩定性和耐腐蝕性能，適合應用于化學環境比較嚴苛的液流電池體系。

不過，全氟磺酸離子交換膜也存在一些短板，釩離子滲透污染問題難以解決，而滲透會造成電解液活性物質損耗。

此前，國內液流電池所使用的全氟磺酸離子交換膜長期依賴從美國進口，存在“卡脖子”風險。隨著國內電化學技術研究不斷突破，全氟磺酸離子交換膜的大規模化國產替代也取得了顯著進展。

 · 全氟磺酸離子交換膜

2、多孔離子傳導膜

多孔離子傳導膜運用“離子篩分傳導”機理，對不同尺寸的離子進行篩分傳導，實現活性物質和載流子的有效分離。

載流子氫離子是體系中的導電離子，多孔離子傳導膜的作用就是只允許載流子氫離子（H⁺）雙向通行，其他活性物質截留至各自電解液儲罐，避免正負極釩離子滲透短路，這樣既保障液流電池內部活性物質總量穩定，又顯著提升電導效率。

多孔離子傳導膜的選擇性過程就像高速公路的限高桿，只允許符合要求的車輛雙向通行。

當多孔離子傳導膜的孔徑尺寸＜電解液的活性物質尺寸，活性物質受阻隔，無法進行跨膜擴散，從而抑制電池容量衰減。

當多孔離子傳導膜的孔徑尺寸＞載流子尺寸，載流子氫離子（H+）暢通無阻進行跨膜遷移，實現高電流密度穩定運行。

這種孔徑不大不小的多孔離子傳導膜，兼顧了膜的高選擇性與高傳導率。

3、復合膜

多孔離子傳導膜在現階段大規模量產方面存在諸多挑戰，比如，孔徑的精確控制難度較高、制備原材料較少。有學者把目光轉向復合膜研究，總體來說，有以下幾個技術方向：

① 全氟磺酸離子交換膜復合改性

通過在基底加入二氧化硅、MOF、氧化石墨烯等無機填料，增強離子選擇性，降低釩離子滲透，保持電解液活性物質穩定，提升液流電池的充放電性能和壽命耐久性。

② 新型非氟膜材料開發

磺化聚醚醚酮（SPEEK）是典型的非氟質子交換膜材料，只單獨使用，則存在吸水溶脹嚴重、穩定性差的問題。

聚苯并咪唑（PBI）是高性能高分子聚合物，具有“幾乎不吸水、不溶脹、拉伸強度高”的特點。

用SPEEK與PBI共混的辦法，通過優勢整合，實現新型非氟膜材料開發。

③ 多孔離子傳導膜復合創新

通過在多孔基體引入無機納米顆粒或聚合物，組成“多孔基底+功能性添加劑”，從而提升多孔離子傳導膜的性能，實現更出色的液流電池性能表現。