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。