基于磺化聚醚醚酮的高离子选择性复合膜在全钒液流电池中的应用研究

为解决全钒液流电池（VRFB）中商用Nafion膜成本高、离子选择性低的问题，研究人员通过将多孔聚酰亚胺（PI）和共价有机框架材料（COF-LUZ、COF-TpBpy）引入磺化聚醚醚酮（SPEEK）基质，制备了具有酸碱相互作用的复合膜。结果表明，S/LUZ膜表现出最优的钒离子阻隔性能（自放电时间延长）和电池效率（库仑效率89.1%，能量效率77.3%），为高性能VRFB膜的商业化提供了新思路。

　　

在全球能源结构转型的背景下，可再生能源的间歇性和地域限制问题日益凸显。全钒液流电池（VRFB）因其设计灵活、安全性高和寿命长等特点，成为大规模储能技术的重要候选者。然而，其核心组件——离子交换膜（IEM）的性能瓶颈制约了进一步发展。目前广泛使用的Nafion膜虽具有优异的化学稳定性和质子传导性，但高昂的成本和较差的钒离子选择性限制了其应用。与此同时，非氟类材料如磺化聚醚醚酮（SPEEK）虽成本低廉，但高磺化度会导致钒离子渗透率上升，影响电池性能。如何通过材料改性实现质子高效传导与钒离子有效阻隔的平衡，成为该领域的关键科学问题。

针对这一挑战，国内研究人员通过将多孔聚酰亚胺（PI）和两种共价有机框架材料（COF-LUZ、COF-TpBpy）作为填料引入SPEEK基质，制备了系列复合膜。研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证材料结构，通过水吸收率（WU）、溶胀率（SR）和离子交换容量（IEC）等测试表征物理化学性质，并系统评估了膜材料的钒渗透率、质子传导率及电池性能。

结构表征
FTIR分析显示，复合膜中成功引入了PI（1690 cm^?1处C=N键特征峰）和COF-LUZ（1250 cm^?1处C-N键特征峰），证实填料与SPEEK基质形成稳定结合。

物理化学性能
复合膜的孔隙率和酸碱相互作用显著提升了离子选择性。其中，S/LUZ膜因COF-LUZ的规则孔道结构和胺基团产生的Donnan效应（一种离子选择性排斥现象），表现出最优的钒离子阻隔能力。

电池性能
在80 mA cm^?2电流密度下，S/LUZ组装的VRFB库仑效率（CE）达89.1%，显著高于纯SPEEK（81.3%）和Nafion 212（83.1%）。其能量效率（EE）为77.3%，亦优于其他对比膜材料（Nafion 212为73.2%）。

该研究通过酸碱相互作用和微孔筛分效应的协同，成功构建了高效质子传输通道，同时抑制了钒离子渗透。S/LUZ复合膜的综合性能优势为VRFB膜的商业化提供了新策略，其设计思路可拓展至其他需要高离子选择性的储能系统。论文发表于《Journal of Energy Storage》，为下一代储能材料开发提供了重要参考。