随着环境污染和能源危机的激化，太阳能、风能等可再生新能源的开发借助越来越遭到人们的注重。为了增强这种可再生能源的经济性和稳定性，急切须要一种高效率、高可靠性的大规模储能技术。全钒液流电瓶（VRBs）因其具有的使用寿命长，可深度充放电，响应速率快，设计灵活、无污染等特性而成为新能源产业研究的焦点。其中离子交换膜作为全钒液流电瓶的关键部件，对VRBs的性能有着重要的影响。理想的VRBs离子交换膜要求离子导电性高，钒渗透率低，物理稳定性好，成本低等特性。而常用的离子交换膜中，质子离子交换膜（PEM）似乎具有较高的质子传导率，并且通常其钒离子渗透率较大。相对应的阴离子交换膜（AEM）具有较好的阻钒性，并且其面内阻通常较大。因而怎样才能获得同时具有较高的离子浊度率和离子选择性的离子交换膜材料是目前研究的困局和焦点。除此之外，膜材料的物理稳定性不足也是目前领域内亟待解决的一个问题。
针对这种问题，上海理工学院贺高红院士团队采用三元叔胺共聚物热固性醚（PPO-TTA）与胺基硅氧烷醚酮（SPEEK）为材料设计制备了一种新的多叔胺型两性离子交换膜。借助膜材料中叔胺和磺酸官能团间的互相作用，诱导建立了高效的电负性网路质子传输通道，使膜材料同时获得了优异的离子传导率和离子选择性，而且有效提升了膜材料的物理稳定性。
图1.多叔胺型两性离子交换膜的结构
其传导机理如右图所示，该团队借助叔胺官能团作为质子受体，与作为质子供体的磺酸官能团产生“酸碱对”结构。“酸碱对”的官能团交联网路结构缩小了膜的亲水离子通道，有效减少了钒离子的渗透。同时，高效的电负性网路结构有助于质子的传导，保证了其优异的质子传导能力。除此之外，未产生“酸碱对”的叔胺在碱性环境中可结合质子并带正电荷，进一步推动了电负性网路的建立电流过大对离子交换膜，提高了质子的传导，妨碍了钒离子的渗透。
图2.多叔胺型两性离子交换膜的传导机理
该团队进一步对所制备的新型两性离子交换膜的电瓶性能进行了测试并与常用的和SPEEK膜以及近年报导的其余类型的两性膜和SPEEK基质膜进行了对比。研究结果表明，随着叔胺官能团浓度的降低电流过大对离子交换膜，因为基于酸碱对结构和高效官能团网路的高性能亲水离子通道的构建，所制备的多叔胺型两性离子交换膜所组装电瓶在保持了优异的电流效率（VE）的同时其库伦效率（CE）和能量效率（EE）获得了明显提高。在40~200mA?2电压密度下，缩聚比为15%的两性离子交换膜组装的电瓶CE和EE分别可达94.3%~98.3%和90.3%~77.1%，但是经过200次循环后没有显著减少。其性能远优于膜以及原始的SPEEK膜，但是在近些年来报导的两性膜以及SPEEK基质膜中处于很高水平。该工作为离子交换膜传导率和选择性的平衡以及其高性能亲水离子通道的设计提供了新的策略。
图3.多叔胺型两性离子交换膜的电瓶性能
图4.多叔胺型两性离子交换膜与近些年来报导的其余类型两性膜及SPEEK基质膜的电瓶性能对比
该团队又进一步探究了引入叔胺官能团对所制备两性离子交换膜的物理稳定性的影响。研究结果表明，随着叔胺侧链浓度的降低，膜在高氧化性电解液（1.5MV5+溶在3.中）中浸洗后的形貌损坏，质量损失以及性能衰减均逐步减少，证明了叔胺官能团对膜的物理稳定性提高的有效作用，为提升离子交换膜物理稳定性的研究提供了新思路。
图5.不同高聚物比的两性膜经过14天氧化以后的表面微观形貌破损以及浊度率和机械性能的衰减
图6.不同高聚物比的两性膜经过40天氧化以后的形貌损坏和质量损失
以上相关成果以“-”为题，以封面论文的方式发表在.Mater.,2019,11,5003-5014上，并被该刊选为封面论文。
论文的第一作者为上海理工学院硕士生张华清，共同通信作者为上海理工学院焉晓明副院长和贺高红院士。该项研究工作得到国家自然科学基金和黄河学者计划等项目的捐助。