研究制備出高性能液流電池用超薄聚合物膜材料

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員李先鋒、項目研究員魯文靜等與中國科學技術大學張宏俊研究員合作，在液流電池用離子選擇性膜研究中取得新進展，開發出一種新型的界面交聯策略，制備出了厚度僅為3 μm（微米）的高穩定性超薄聚合物膜材料，將全釩液流電池的工作電流密度提升至300 mA/cm2（毫安每平方厘米）。相關成果發表在《自然-化學工程》。

高性能液流電池用超薄聚合物膜材料示意圖。大連化物所供圖

聚合物離子選擇性膜因其成本低、易于規模化制備等優勢，是目前市場上主流的液流電池膜材料。然而，與具有周期性和規整有序孔結構的無機納米多孔材料不同，傳統方法制備的聚合物膜通常具有不規則無序孔結構，難以實現液流電池活性物質和載流子的精確篩分，存在選擇性和滲透性相互制約的Trade-off效應。

為解決上述問題，李先鋒團隊提出了一種界面交聯新策略，通過將聚合物交聯反應限制在有限的界面空間內，制備出由納米級分離層和支撐層組成的超薄聚合物膜。測試結果表明，分離層中穩健的共價交聯網絡結構提高了膜的機械穩定性，即便是在膜厚度降低至3 μm條件下，均展現出良好的機械強度，其橫向拉伸強度和縱向硬度均優于商業化的Nafion 212膜。

研究還發現，該膜材料分離層的孔徑分布在1.8 ?（埃）至5.4 ?之間，與具有規整孔道結構的無機納米多孔材料相似。這種孔徑分布恰好位于液流電池活性物質和載流子的尺寸之間，實現了對活性物質的精確篩分和對載流子的快速傳導。同時，納米級分離層及膜整體厚度的降低進一步減少了離子傳輸阻力，使得超薄膜在寬pH范圍內均表現出超低的面電阻和活性物質滲透系數。

為了驗證其應用的可行性，團隊將該膜材料應用于全釩液流單電池，在300 mA/cm2的高電流密度下，電池的能量效率超過80%。此外，該超薄膜還可以應用于堿性鋅鐵液流電池和水系有機液流電池，在高電流密度下均展現出優異的性能。通過改變交聯劑的類型，團隊進一步驗證了界面交聯策略的普適性。

該研究為設計具有高機械穩定性、超低面電阻和滲透系數的超薄膜提供了新思路，有利于提升多種水系液流電池的工作電流密度和功率密度。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s44286-025-00238-2