综述：聚苯并咪唑基膜在钒氧化还原液流电池应用中的优化研究进展

本综述系统总结了聚苯并咪唑（PBI）基膜在钒氧化还原液流电池（VRFB）中的最新优化策略，包括磺化改性、无机填料（如SiO2/TiO2）复合及交联技术，显著提升质子传导率并抑制钒离子（V4+/V5+）渗透，其13,500次循环的稳定性为储能系统商业化提供新思路。

　　

Abstract

聚苯并咪唑（PBI）基膜凭借卓越的化学稳定性、机械强度和离子选择性，成为钒氧化还原液流电池（VRFB）核心材料。通过磺化、无机纳米颗粒（如SiO₂、TiO₂）复合及交联技术优化后，其质子传导率提升同时钒离子渗透率降低，使VRFB能量效率突破80%，循环寿命达13,500次。酸掺杂PBI膜更展现出对V⁴⁺/V⁵⁺的静电排斥效应，为替代昂贵Nafion膜提供可能。

Introduction

全球能源转型背景下，可再生能源（RE）的间歇性缺陷凸显储能技术重要性。钒氧化还原液流电池（VRFB）因功率/容量解耦设计、长循环寿命成为电网级储能首选，而离子交换膜（IEM）是其关键组件。传统全氟磺酸膜（如Nafion）存在成本高（占电池成本40%）、钒离子渗透等问题。PBI膜通过苯并咪唑骨架的氢键网络实现质子选择性传输，其耐高温（400°C）和耐酸腐蚀特性为VRFB提供新解决方案。

Polybenzimidazole (PBI) membranes

PBI膜的优异性能源于其刚性苯并咪唑结构：

1. 热稳定性：400°C下仍保持结构完整，远优于Nafion（<100°C降解）；
2. 机械强度：拉伸强度达120 MPa，适合高压工况；
3. 化学惰性：在2 M H₂SO₄中浸泡6个月无溶胀；
4. 离子传输机制：磷酸掺杂后形成质子跳跃（Grotthuss）通道，电导率提升至0.1 S/cm。

Strategies to improve performance

化学改性：

• 磺化引入-SO₃H基团，提升亲水性（吸水率>30%）；
• 交联减少自由体积，钒离子渗透率降低70%。

复合材料：

• SiO₂/TiO₂纳米颗粒填充抑制溶胀，能量效率达88%；
• 石墨烯氧化物（GO）增强机械强度，循环寿命提升3倍。

结构设计：

• 多孔膜实现质子/钒离子筛分，库伦效率>98%；
• 双极膜组合阳/阴离子层，解决酸碱失衡问题。

Challenges and future scope

当前瓶颈包括：

1. 长期运行中磷酸浸出导致性能衰减；
2. 规模化生产时纳米填料分散不均；
3. 成本需从500/m²降至200/m²以下。未来方向聚焦MOFs/COFs杂化膜开发，以及生物基材料（如壳聚糖）的环保替代。

Conclusion

优化后的PBI膜将VRFB能量效率提升至90%以上，循环成本降低30%，为风光储能并网提供关键技术支撑。从实验室到产业化，仍需解决工艺标准化与衰减机制等核心问题。