大规模储能技术对于实现间歇性可再生能源稳定并入电网至关重要。在新兴储能方案中，氧化还原液流电池因其固有的安全性、功率与容量解耦的扩展性及卓越的循环耐久性等独特优势，已成为长时储能领域的重要候选技术之一。其中，全钒液流电池（VFB）在基础研究与产业化应用方面均取得重大突破。然而，过高的系统成本仍制约其广泛商业化，这凸显了对材料与部件进行深度优化的迫切需求。作为影响电池性能的核心组件，离子交换膜对系统效率、循环寿命和经济性具有决定性作用。尽管全氟磺酸膜（如Nafion系列）凭借其高离子传导率和优异化学稳定性，当前被视作钒电池应用的基准膜材料，但其过高的钒离子渗透率和高昂的成本限制了大规模应用。因此，理想的离子交换膜需同时满足以下严苛要求：（i）实现快速的电荷平衡离子传输；（ii）有效抑制钒离子跨膜迁移；（iii）在苛刻工况下保持长期化学与机械稳定性；（iv）具备低成本可制造性以支持规模化生产。
近期，大连理工大学朱秀玲教授团队通过将含氟聚（芳基-吡啶）混入磺化的三碟烯支化聚（芳基-靛红）成功构建了两性离子膜（SPTIP/PFNP-x），实现了两者互补优势的协同整合。研究表明，磺酸基团与吡啶鎓基团间的阳离子-阴离子相互作用形成致密氢键网络，而三碟烯的支型立体结构则扩展了聚合物链自由体积。这种双重优化机制实现了高效的电荷平衡离子传输。同时，离子交联结构结合质子化吡啶鎓产生的唐南效应有效抑制了钒离子的跨膜渗透，从而获得卓越的离子选择性。此外，三碟烯支化结构与两性离子相互作用形成的双重交联效应，配合化学稳定的无醚主链及吡啶鎓离子基团，赋予膜材料增强的机械与化学稳定性。优化后的膜使钒液流电池在200 mA cm-2条件下实现83.1%的能量效率，并展现出优异的循环稳定性（120 mA cm-2下完成2000次循环，且在300 mA cm-2下仍可稳定循环500次）。这项工作为设计具有定制结构和多功能性的先进 VFB 膜提供了一条新途径。
2025年10月8日，该工作以“Functional Integration in Tailored Polymers Enables Zwitterionic Membranes with Selective Ion Transport and Enhanced Stability”为题发表在《Advanced Functional Materials》，论文的第一作者为大连理工大学博士研究生班涛，通讯作者为朱秀玲教授。
图1. 制备两性离子膜的分子工程策略。图中展示了所设计聚合物的化学结构及膜中阳离子-阴离子相互作用的机制
图2. 分子结构及纳米尺度表征。（a）SPIP 与（b）SPTIP 的结构单元、三维表示及其模拟无定形晶胞。（c）SPIP 与 SPTIP 在 273 K 下的 CO2吸附-脱附等温线（实心符号：吸附；空心符号：脱附）。原子力显微镜相图揭示了（d）SPIP 与（e）SPTIP 的纳米相分离形貌，其中蓝色与红色区域分别对应亲水性离子团簇与疏水性聚合物域
图3. SPTIP及SPTIP/PFNP-x膜的结构表征。（a） SPTIP、SPTIP/PFNP-10、SPTIP/PFNP-30和SPTIP/PFNP-50膜的XPS全谱及（b-e）高分辨率N 1s XPS谱。（f） SPTIP与SPTIP/PFNP-x膜的FTIR谱图。（g）SPTIP膜表面SEM图像（插图为实物照片）及（h）截面SEM显微图。（i）SPTIP/PFNP-30膜表面SEM图像（插图为实物照片）、（j）截面视图及（k）EDS元素面分布图
图4. 理化性质与离子传输行为表征。（a）吡啶与磺酸基团的静电势分布计算。（b）SPTIP/PFNP-10、SPTIP/PFNP-30与SPTIP/PFNP-50膜的AFM相图。（c）室温下3.0 M H2SO4中的电解液吸收率与溶胀率。（d）水合状态下的应力-应变曲线。（e）VO2+的紫外-可见吸收光谱及（f）在40℃、0.1 M VO2+ + 3.0 M H2SO4溶液中化学稳定性测试后的VO2+还原率。（g）SPTIP/PFNP-30膜稳定性测试前后的FTIR谱图对比。（h）SPTIP、SPTIP/PFNP-x与Nafion 212膜在室温3.0 M H2SO4中的面电阻。（i）质子传导的Arrhenius曲线及相应活化能
图5. 钒离子阻隔性能与离子选择性。（a）装配不同膜的H型扩散池在初始（0 h）与最终（156 h）阶段的实物照片（左室：1.5 M VOSO4 + 3.0 M H2SO4，右室：1.5 M MgSO4 + 3.0 M H2SO4）。（b）SPTIP、SPTIP/PFNP-x与Nafion 212膜中VO2+渗透过程的UV-Vis吸收光谱。（c）渗透侧VO2?浓度随时间变化曲线。（d）不同膜的VO2+渗透率定量对比。（e）SPTIP/PFNP-x膜与代表性膜的面电阻-钒渗透率对标图。（f）SPTIP、SPTIP/PFNP-x与Nafion 212膜的离子选择性。（g）调控离子选择性的膜结构特征机理示意图
图6. 电池性能。 （a） 钒液流电池结构及工作原理示意图。 （b）采用SPTIP、SPTIP/PFNP-30与Nafion 212膜的电池在60-200 mA cm-2电流密度范围内的能量效率对比。（c）通过开路电压衰减监测的自放电行为。（d）100% SOC下电压与功率密度随电流密度变化的极化曲线。（e）采用SPTIP、SPTIP/PFNP-30与Nafion 212膜的电池在120 mA cm-2下循环300次的容量保持率。（f）SPTIP/PFNP-30膜与近期报道膜组装的电池在120 mA cm-2下的容量保持率对比。（g）基于SPTIP/PFNP-30膜的电池在120 mA cm-2下的长期循环稳定性。（h）SPTIP/PFNP-30膜组装的电池在宽电流密度范围（100-400 mA cm-2）下的效率变化。（i）SPTIP/PFNP-30膜与文献报道的离子膜材料组装电池的能量效率对比
论文信息
T. Ban,Y. Xu, K. Shen, et al. Functional Integration in Tailored Polymers Enables Zwitterionic Membranes with Selective Ion Transport and Enhanced Stability. Adv. Funct. Mater. 2025: e17813.
https://doi.org/10.1002/adfm.202517813
