本刊文章推荐丨南京大学郭盛特聘研究员团队:高性能液流电池隔膜的多尺度协同设计

走进膜科学

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南京大学化学化工学院郭盛特聘研究员团队近期于《膜科学与技术》期刊（2026，46（01）：178-198）发表题为《高性能液流电池隔膜的多尺度协同设计》的综述。该文第一作者为南京大学化学化工学院本科生赵佩鈜，通讯作者为郭盛特聘研究员。

• 全面分析了液流电池隔膜的电导率、选择性等与液流电池的效率、长期稳定性之间的联系。

• 系统梳理了液流电池隔膜从分子结构到宏观架构的多尺度优化策略。

• 探讨了液流电池隔膜工程化与规模化面临的挑战。

• 提出多尺度协同设计应成为未来低成本、高性能液流电池隔膜研发的核心理念。

液流电池具有安全、长寿命、功率与容量解耦、设计灵活性较强等特点，在大规模储能中具有优势。隔膜是液流电池的核心组件，兼具传导离子形成回路和阻止氧化还原物质交叉渗透两大功能。液流电池隔膜的性能不足，尤其是电导率和选择性的权衡这一核心瓶颈，制约了液流电池的性能和规模化应用。针对液流电池隔膜开发的诸多挑战，目前研究在材料本征结构、聚集态及膜宏观架构等层次提出了多种设计策略，但综合性的设计理念较为缺乏。系统梳理多尺度优化液流电池隔膜性能的最新研究进展，结合工程化与规模化需求，深入分析现有策略的优势与局限，不仅能为学术界提供全面的研究脉络，还能为产业界在隔膜选型与技术路线决策中提供科学的参考依据。

针对电导率和选择性的权衡等液流电池隔膜开发和应用面临的挑战，本综述分析了隔膜与液流电池各项性能之间的联系，梳理、比较了液流电池隔膜在本征结构、聚集态、宏观架构等多尺度下的优化策略，探讨了隔膜工程化与规模化面临的挑战，提出多尺度协同设计应成为未来低成本、高性能液流电池隔膜研发的核心理念。

图1为液流电池的结构和工作原理，以及材料结构、隔膜性能和液流电池性能的联系：例如，隔膜材料的孔结构和性质决定隔膜的电导率和选择性，从而影响了液流电池的工作效率和寿命。图2展示了液流电池隔膜的多尺度协同设计策略：在本征结构层面，设计构建亲水孔道、调节孔壁性质、控制溶胀；在聚集态层面，通过共混、掺杂或小分子处理进行调控，在宏观架构层面，构建薄层复合、中空纤维等架构。

图1液流电池的结构和工作原理(a)；材料结构、隔膜性能和液流电池性能的联系(b)

图2 液流电池隔膜的多尺度协同设计策略

图3展示了全氟磺酸、磺化聚醚醚酮、聚苯醚、超酸缩聚物等不同膜材料本征结构的特点，比较了这些材料的导电性、选择性、稳定性、成本效益等，表明磺化聚醚醚酮和聚苯醚类材料具有成本和性能优势，为膜材料的选择提供了参考。图4为自具微孔聚合物膜材料的本征结构和离子传输原理。

图3 全氟磺酸聚合物(a)、磺化聚醚醚酮(b)、氟化聚联苯醚(c)、全碳主链聚合物(d)的典型结构和性能特点，其中蓝色表示亲水基团，红色表示易降解的位置；不同微相分离膜性能的定性比较(e)

图4 典型的自具微孔聚合物(a)；半柔性螺支化聚合物(b)；网状聚合物实现低溶剂化离子传输(c)

图5 ~ 8展示了聚集态层面的设计策略：通过聚合物共混、掺杂有机框架材料、掺杂无机填料、小分子处理等策略，限制膜材料的溶胀、调控相分离和孔结构，从而提升膜性能。

图5 超分子相互作用提高结构稳定性

图6 SNW-1/PBI(a)、IM-UIO-66-AS/SPEEK(b)、Zr-MOF/SPEEK(c)、pCTF/SPEEK(d)复合膜

图7 P-DMAPS/SPGO(a)、膨润土/SPEEK(b)、空心碳球/SPEEK(c)、ZSM-5/SPEEK(d)复合膜

图8 超分子相互作用形成伪微相分离形貌(a)；IPA处理缩小孔径提高选择性(b)；PES/SPEEK共混形成微相分离结构(c)

图9为三种非对称膜架构及特点：整体成膜架构是用单一聚合物材料，在膜的垂直方向上实现致密度、孔结构分布及性能分层调控的一类非对称膜结构，制备相对简便，但各层性质不可独立调控，往往难以同时实现最优的选择性与导电性；薄层复合膜架构能够灵活调节皮层与支撑层的特性，从而获得较优的性能匹配，但在界面处可能引入额外阻抗，并存在界面稳定性隐患；界面构筑成膜架构则结合了上述两类的优势，不仅制备简便、层间性质可独立优化，而且由于界面为原位构建，基本避免了额外界面阻抗与稳定性问题，被认为是当前较具前景的架构策略之一。图10、11、12分别是整体成膜、薄层符合、界面构筑和中空纤维膜架构的典型案例。

图10 不同非溶剂对PES/SPEEK非对称膜结构的影响(a)；两步法形成非对称膜的影响因素(b)

图11 ZSM-35/PES(a)、ZSM-5/α-氧化铝(b)、原位生长垂直LDH(c)薄层复合膜的结构

图12 界面聚合反应式(a)；界面交联制备半连续复合膜(b)；亚毫米中空纤维形态液流电池隔膜(c)

图13总结了已有研究在不同尺度上设计优化的液流电池隔膜的性能及在全钒液流电池中的工作性能，直观展示了非对称宏观架构和小分子处理是突破电导率-选择性权衡、设计高性能隔膜的有效设计策略。

图13 各种VFB隔膜的面电阻（3 mol·L^-1 硫酸中）、VO²⁺渗透性(a)；使用各种隔膜的VFB在不同电流密度下的能量效率(b) 虚线箭头表示性能优化的方向

图14展示了液流电池隔膜规模化生产中需要解决的参数匹配、品质控制等新挑战，说明了高性能液流电池隔膜的设计必须面向工程化规模化应用，强调可放大化和成本效益。

图14 商业化离子膜研发步骤及注意事项

本文系统梳理了隔膜结构设计与电池性能之间的内在关联，介绍了隔膜在本征结构、聚集态、宏观架构等多尺度下的创新设计思路，强调了“多尺度协同设计”在突破性能权衡、推动液流电池高功率密度与长寿命运行中的关键作用，并分析了隔膜的工程化和规模化面临的挑战。未来研究需运用多尺度模拟、人工智能等手段进一步探索，从分子层面实现高效设计与定向优化，推动隔膜材料研发由“经验驱动”向“理性设计”转变；要突破均质膜的性能极限，必须实现本征结构—聚集态—宏观架构的协同设计，构建功能分工明确的非对称复合隔膜体系；在追求性能提升的同时，要统筹考虑隔膜制备方法的复杂度、成本与可持续性，推动隔膜材料从“实验室性能最优”向“工程可制造性最优”转变；此外，建立统一的、面向长期运行和规模化应用的隔膜性能评价与测试标准，对于推动液流电池隔膜研究由“性能展示型”向“工程验证型”和“产业导向型”转变具有重要意义。

第一作者：赵佩鈜，南京大学化学化工学院本科生，研究方向为液流电池隔膜。

通讯作者：郭盛，南京大学化学化工学院特聘研究员、博士生导师，国家级青年人才计划入选者。2025年获南京大学“五四青年奖章”，并入选中央高校青年教师科研创新能力支持项目。长期围绕国家在能源转型、石油化工与先进功能材料领域的重大需求，开展高性能功能高分子、分离膜及交叉前沿材料的工程化研发与应用研究。

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