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耐高温钒液流电池离子交换膜研究方面取得进展。研究团队在聚苯并咪唑基体中构筑拓扑互锁氢键网络，使膜在高温条件下同时保持较快的质子传导和较强的钒离子阻隔能力。相关研究成果以“Constructing topologically interlocked membranes to widen the thermal safety margin of vanadium redox flow batteries”为题发表在国际期刊《Journal of Membrane Science》上。辽宁石油化工大学为第一署名单位，张登华老师为论文第一作者，辽宁科京新材料有限公司张建国、中国科学院金属研究所李宁和肖伟为通讯作者。
钒液流电池在大功率充放电过程中会产生热量，升高的运行温度会加快聚合物链段运动和钒离子扩散。商业全氟磺酸膜的水合通道在高温下更容易发生钒离子交叉渗透，而聚苯并咪唑膜虽然耐热且结构致密，但自身缺少足够的质子传导位点。传统磷酸掺杂可提高电导率，却可能引起酸流失、膜溶胀和力学性能下降。因此，如何在较高温度下兼顾质子传导、钒离子阻隔和结构稳定性，是拓宽电池安全运行温区的关键。
图1 EDTMPA“分子拉链”构筑拓扑互锁氢键网络的设计原理
研究团队将乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMPA）与磷酸共同引入聚苯并咪唑基体。EDTMPA含有多个膦酸基团和碱性氮原子，可像“分子拉链”一样，通过酸碱作用和氢键将磷酸分子与聚合物链连接起来。该拓扑互锁网络一方面固定磷酸并抑制膜溶胀和链段松弛，另一方面形成由磷酸、膦酸基和含氮位点组成的双质子网络，为Grotthuss机制下的质子跃迁提供连续通道。致密的分子结构还通过空间位阻和电荷排斥限制水合钒离子迁移。
优化后的PBI-EDTMPA-15/PA复合膜在60 ℃下的质子电导率达到0.044 S cm−1，钒离子渗透率降至5.53×10−8 cm2 min−1。在20 ℃、200 mA cm−2条件下，电池能量效率达到84.07%，并连续稳定运行500个循环。在60 ℃下，电池峰值功率密度达到0.88 W cm−2，库仑效率保持在97%以上，并可稳定循环300次。
该研究通过拓扑互锁结构将质子传导网络与钒离子阻隔网络协同构筑，提高了聚苯并咪唑膜在高温和长期运行条件下的稳定性。相关结果为降低钒液流电池对外部冷却系统的依赖、扩大安全运行温区以及开发低成本非全氟离子交换膜提供了新的材料设计思路。
图2 复合膜在不同温度下的钒液流电池性能与循环稳定性
研究成果详见《Journal of Membrane Science》期刊：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2026.125952。（撰稿人：张登华 校对人：赵桂艳 审稿人：胡跃鑫）
