南京工业大学黄康/华东理工大学徐至,最新Angew!咪唑鎓接枝动态离子传导间隔体实现有机溶剂中超快阴离子跳跃传导助力稳定非水系液流电池

非水系液流电池（NAFBs）需要具有优异有机溶剂耐受性和高离子电导率（在有机溶剂中）的膜，以承受非水系电解液固有的腐蚀性效应。

2026年05月09日，南京工业大学黄康团队在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Ultrafast Anion-Hopping Conduction in Organic Solvent via Imidazolium-Grafted Dynamic Ion-Conducting Spacers for Stable Non-Aqueous Flow Batteries”的研究论文，团队成员盖鹏珠为论文第一作者，黄康、华东理工大学徐至为论文共同通讯作者。

第一作者：盖鹏珠

通讯作者：黄康、徐至

通讯单位：南京工业大学、华东理工大学

论文DOI：10.1002/anie.6160285

该研究设计了一种用于NAFBs的高度耐有机溶剂的咪唑鎓接枝阴离子交换膜（AEM），实现了在有机溶剂中的快速阴离子跳跃传导。该膜在DMF基电解液中表现出高达2.1mS·cm⁻¹的超快离子电导率，远高于商业Celgard膜（仅为0.45mS·cm⁻¹），同时具有优异的阻隔性能，其对2,1,3-苯并噻二唑正极电解液和10-甲基吩噻嗪负极电解液的活性物质渗透率极低，分别为1.6×10⁻⁸cm²·s⁻¹和3.8×10⁻⁹cm²·s⁻¹。此外，该膜在强腐蚀性有机溶剂中表现出卓越的稳定性，在NAFB电池测试中，于5mA·cm⁻²电流密度下实现了超过330个循环、平均能量效率（EE）高于66.1%的稳定运行，远超商业Celgard膜（仅70个循环，平均EE为48.8%）。该研究为具有优异有机溶剂耐受性和高离子电导率的下一代NAFBs膜设计提供了战略性突破。

间歇性能源，如太阳能和风能，需要大规模储能技术来平衡供需。液流电池，特别是钒液流电池（VFB），是电网规模储能有前景的解决方案。然而，VFB的发展受到高材料成本和相对较低能量密度（通常为25–30Wh·L⁻¹）的制约。相比之下，非水系液流电池（NAFB）提供了更宽的电化学稳定性窗口（高达4V，而水中为1.23V）和更多的材料选择，使其在高能量密度应用中极具吸引力。

隔膜作为液流电池中的关键组件，因其在减轻活性物质交叉和促进快速电荷载流子传输方面的功能而引起了显著的研究兴趣。然而，用于NAFB的膜的开发面临着巨大挑战，主要因为这些膜必须满足多重严苛标准，包括优异的有机溶剂耐受性、在有机溶剂中的高离子电导率以及低活性物质交叉。此外，这些严苛要求因非水系电解液固有的缺点（特别是其高粘度和欠佳的离子电导率）而进一步加剧。迄今为止，商业聚烯烃基膜如Celgard和Fumasep通常用于非水系体系。然而，商业膜通常表现出离子选择性不足或在有机溶剂中严重溶胀。因此，制备具有优异有机溶剂耐受性、最小活性物质交叉和高离子电导率的膜对于推进NAFB技术至关重要。

在此，该研究为NAFB设计了一种咪唑鎓接枝交联聚苯并咪唑（PBI）阴离子交换膜（AEM）。交联过程赋予了膜极强的有机溶剂耐受性，而随后接枝的作为动态离子传导间隔体的咪唑鎓侧链，则使其在DMF基电解液中实现了卓越的离子电导率。卓越的电池性能证明了在非水系电解液中长期运行的操作稳定性。结合原位表征、非原位表征和分子动力学MD模拟证明，接枝的咪唑鎓阳离子有效促进了阴离子跳跃传导，通过阐明非水系电解液中的离子传递机制，为NAFB膜的开发提供了基础性见解。

图1 用于非水系液流电池（NAFB）的高耐有机溶剂咪唑鎓接枝交联聚苯并咪唑（PBI）膜的设计原理示意图。

图2 不同烷基咪唑鎓接枝的交联PBI膜（K-19PBI-Im）的表征。(a) K-19PBI-Im膜中离子传输示意图，该膜接枝了不同的咪唑鎓侧链，包括乙基咪唑鎓（EIm）、丁基咪唑鎓（BIm）和己基咪唑鎓（HIm）作为动态离子传导间隔体。(b) K-19PBI-Im膜的高分辨率N1s X射线光电子能谱（XPS）谱图。(c) K-19PBI和K-19PBI-Im膜的¹H时域低场核磁共振（LF-NMR）谱图。(d) K-19PBI和K-19PBI-Im膜对DMF基电解液的吸收率。数据以平均值±标准差（SD）表示，n=3个独立样本。(e) DMF基电解液中BF₄⁻阴离子在K-19PBI和K-19PBI-Im膜中的渗透率。数据以平均值±标准差（SD）表示，n=3个独立样本。

图3 K-19PBI-yBIm膜的特性。(a) K-19PBI-0.1BIm膜的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，插图为样品照片。(b) K-19PBI-yBIm膜对电解液的吸收率。数据以平均值±标准差（SD）表示，n=3个独立样本。(c) DMF基电解液中BF₄⁻阴离子在K-19PBI-yBIm膜中的渗透率。数据以平均值±标准差（SD）表示，n=3个独立样本。(d) MPT和(e) BTD在K-19PBI-yBIm膜和商业Celgard 2500膜中的渗透率。(f) 在类似电解液中评估的已报道NAFB膜的离子电导率与活性物质渗透率的比较。虚线代表膜的选择性（离子电导率与活性物质渗透率的比值）。

图4 膜在非水系液流电池（NAFB）中的电池性能。数据以平均值±标准差（SD）表示，误差棒代表从前50个循环（n=50）计算的标准差。(a) 采用BTD（负极液）和MPT（正极液）作为氧化还原电对的NAFB结构示意图。(b) Celgard 2500、K-19PBI和K-19PBI-yBIm膜在5mA·cm⁻²电流密度下的库仑效率（CE）、(c) 电压效率（VE）和(d) 能量效率（EE）。(e) 应用K-19PBI-0.1BIm膜的NAFB长期循环稳定性。(f) 在采用吩噻嗪衍生物或BTD作为活性物质的NAFB中，不同膜的EE与循环次数的比较。

图5 咪唑鎓的机理见解。(a) TEA⁺和BF₄⁻在K-19PBI和K-19PBI-BIm膜中的迁移数。(b) K-19PBI-yBIm膜的宽频介电谱。(c) K-19PBI-0.1BIm在TEABF₄/DMF溶液中的原位FTIR谱图。(d) 通过分子动力学MD模拟得到的BF₄⁻阴离子与接枝膜之间的相互作用能（Lennard-Jones和Coulomb能）。(e) MD模拟的代表性快照：BF₄⁻（绿色）、TEA⁺（红色）、DMF溶剂（半透明）、K-PBI（紫色）和K-PBI-BIm（黄色）。(f) 膜的扩散系数和均方位移（MSD）曲线。