多孔支化聚苯并咪唑膜实现高离子传导与选择性提升全钒液流电池性能

本工作通过分子结构调控与非溶剂诱导相分离策略，成功制备出兼具高离子电导率（36.8 mS cm?1）与超高离子选择性（5.99×106 S min cm?3）的多孔支化聚苯并咪唑（Porous Branched Polybenzimidazole, PBPBI）膜，显著提升全钒液流电池（Vanadium Flow Battery, VFB）的库仑效率（98.18%）、电压效率（91.07%）与循环稳定性（700次循环），突破了传统聚苯并咪唑膜离子传导性与选择性间的权衡瓶颈，为大规模储能技术提供了关键材料解决方案。

　　

Highlight

本研究通过分子结构设计与非溶剂诱导相分离（Non-Solvent Induced Phase Separation, NIPS）策略协同构建多孔支化聚苯并咪唑（Porous Branched Polybenzimidazole, PBPBI）膜，实现了离子传导性与选择性的同步提升，为全钒液流电池（Vanadium Flow Battery, VFB）提供了高性能膜材料。

Introduction

全球资源枯竭、环境污染与气候恶化正推动能源结构转型，可再生能源的利用日益受到关注。然而，可再生能源受季节、昼夜与气候影响，存在间歇性与波动性。开发安全可靠的大规模储能/转换技术是实现可再生能源并网的重要途径。其中，全钒液流电池（VFB）因高安全性、长寿命、容量/功率可调及环境友好性成为最具前景的大规模储能技术之一。

膜作为VFB的核心组件，承担隔离正负极电解液与传输电荷载体的功能。目前Nafion系列膜虽被广泛应用，但其钒离子渗透率高、水迁移严重、离子选择性低，导致电池容量衰减快、自放电严重、库仑与能量效率低下。因此，开发新型VFB用膜成为研究热点。

芳香聚合物膜（如聚苯并咪唑（PBI）、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜等）因钒离子阻隔性强、离子选择性高及成本效益好成为潜力候选材料。其中，PBI在苛刻VFB环境中化学稳定性优异，但其分子链间氢键致密堆叠导致离子传导性低。为提升PBI膜离子传输能力，分子结构调控与孔构建策略被广泛采用。例如：Geng等合成萘基PBI（NPBI）膜，面电阻降至0.20 Ω cm2，但离子电导率（8.07×10^?3 S cm^?1）仍不足以显著优化电压效率；Che等以SiO₂为模板制备多孔PBI膜，面电阻降至0.21 Ω cm2，但拉伸强度损失近66%，且模板法存在后处理复杂、模板易团聚等缺陷。因此，将分子结构设计与NIPS策略整合成为优化PBI膜离子传导性的关键路径。

本研究构建多孔支化聚苯并咪唑（PBPBI）膜用于VFB，核心设计理念包括：1）合成支化结构BPBI，增大自由体积以提升离子传导性；2）采用环保且高离子强度的MgCl₂作为非溶剂，促进海绵状孔与致密层形成；3）通过NIPS构建多孔结构加速离子传输；4）调控多孔层与致密层厚度以抑制钒离子渗透；5）打破离子传导性与选择性间的权衡效应。系统研究了PBPBI膜的化学结构、宏微观形貌、物化性能与VFB性能，并以多孔线性PBI（PLPBI）与Nafion 212（NR212）膜为参照，从分子与形态层面协同推进PBI膜在VFB中的应用性能。

Conclusions

本研究通过分子结构调控与非溶剂诱导相分离策略成功开发系列PBPBI膜用于VFB。实验数据表明PBPBI膜离子传导性与选择性显著提升。其中PBPBI-4膜具备高离子传导性、低钒离子渗透性与优异离子选择性，协同提升了电压保持能力与VFB性能。