辽宁石油化工大学新能源与新材料学院张登华老师团队在高性能钒液流电池离子交换膜研究方面取得进展。研究团队借鉴哺乳动物肾小球滤过屏障的多级协同筛分机制，构筑聚乙烯/聚多巴胺/磺化锆基金属有机框架/聚苯并咪唑仿生多层复合膜。相关研究成果以“An intelligent ion goalkeeper: a synergistically enhanced ion exchange membrane via multilayer interfacial assembly for vanadium flow batteries”为题发表在国际期刊《Materials Futures》上。辽宁石油化工大学为第一署名单位，Wei Xiao为论文第一作者，Xihao Zhang、Jiaqi Liu和张登华老师为通讯作者。
钒液流电池具有安全性高、循环寿命长以及功率与容量可独立设计等优势，适用于大规模长时储能。离子交换膜需要在快速传导质子的同时阻止不同价态钒离子交叉迁移，但传统均质膜中质子传输与钒离子阻隔往往相互制约。高电导率通常伴随较大的水合通道和较高的钒离子渗透率，而提高致密程度又会增加膜电阻，形成制约电池效率和寿命的“传输悖论”。
图1 仿生多层复合膜解决“传输悖论”的设计原理
针对上述问题，研究团队以10微米厚的多孔聚乙烯膜作为力学支撑，先在其表面构筑聚多巴胺黏附层，再原位生长磺化Zr-MOF离子筛分层，最后覆盖聚苯并咪唑保护层，形成PE/PDA/MOF/PBI多层结构。磺酸基与聚苯并咪唑之间形成双功能酸碱界面，使膜结构更加致密，并在亚纳米孔道、界面电荷和多层路径的共同作用下，实现质子的快速传导和钒离子的有效阻隔。
实验结果表明，该复合膜的质子电导率达到11.11 mS cm−1，钒离子渗透率降至2.4×10−8 cm2 min−1，离子选择性达到46.29×104 S min cm−3。组装成钒液流电池后，该膜在200 mA cm−2电流密度下实现81.6%的能量效率，自放电时间延长至约2700 min，并在500次充放电循环中保持稳定的效率表现。
该研究将生物滤过屏障的结构分工引入电池膜设计，通过支撑、黏附、筛分和保护层的协同作用，缓解了质子传导与钒离子阻隔之间的矛盾。研究结果为开发兼具高选择性、耐化学腐蚀和规模化制造潜力的非全氟钒液流电池膜提供了新的设计思路。
图2 仿生复合膜的钒液流电池单电池性能
研究成果详见《Materials Futures》期刊：https://doi.org/10.1088/2752-5724/ae49a5。（撰稿人：张登华 校对人：赵桂艳 审稿人：胡跃鑫）
