「国家杰青」徐至领衔!南京工业大学黄康/华东理工大学最新Angew丨咪唑鎓动态间隔体实现有机相阴离子跳跃导电!

非水系液流电池具有更宽电化学窗口和更丰富的活性分子选择，被认为有望突破传统钒液流电池成本高、能量密度有限的问题。但其核心隔膜必须同时承受强有机溶剂、抑制活性物质交叉渗透，并在高黏度、低离子电导的非水电解液中保持快速离子传输，这三项要求往往相互牵制。

商业聚烯烃隔膜如Celgard虽然常用于非水体系，却容易面临离子选择性不足或有机溶剂中溶胀等问题。该工作以聚苯并咪唑为骨架，通过交联提升耐溶剂性，再利用咪唑鎓侧链作为动态离子传导间隔体，引导BF₄⁻在有机相中快速跳跃传导，为非水系液流电池隔膜提供了新的结构设计思路。

近日，南京工业大学黄康、华东理工大学徐至在Angewandte Chemie International Edition发表了题为"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，Pengzhu Gai为论文第一作者，黄康、徐至为论文共同通讯作者。

核心亮点

1. 面向非水系液流电池，设计兼具耐有机溶剂、低活性物质渗透和高离子电导率的咪唑鎓接枝交联PBI阴离子交换膜。

2. 通过NIPS成膜、过硫酸钾交联和咪唑鎓侧链接枝，构筑可在DMF等有机电解液中稳定工作的层级孔道膜。

3. 丁基咪唑鎓动态离子传导间隔体促进BF₄⁻阴离子跳跃传输，使膜在DMF基电解液中电导率达到2.14 mS cm⁻¹。

4. K-19PBI-0.1BIm对MPT和BTD活性物质的渗透率低至3.8 × 10⁻⁹和1.6 × 10⁻⁸ cm² s⁻¹，选择性显著优于商业Celgard膜。

5. 该膜支撑非水系液流电池在5 mA cm⁻²下稳定运行330圈，平均能量效率约66.1%，明显优于Celgard的70圈和48.8%。

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研究团队首先通过非溶剂诱导相分离制备PBI膜，再用K₂S₂O₈交联压缩链间距，获得具有层级孔结构且耐有机溶剂的K-19PBI基膜。在此基础上，他们引入乙基、丁基和己基咪唑鎓侧链，筛选出综合性能最优的丁基咪唑鎓接枝体系。

K-19PBI-BIm既保留了层级孔道和低溶胀特征，又显著提高了DMF基电解液吸收和阴离子传输能力。进一步调控接枝度后，K-19PBI-0.1BIm在活性物质阻隔、电导率和电池效率之间取得平衡。

机理上，咪唑鎓阳离子对BF₄⁻具有库仑吸引，柔性丁基链可在局域空间中动态摆动，二者共同形成阴离子跳跃通道。介电谱、原位FTIR和分子动力学模拟均支持这一机制。最终，该膜在BTD/MPT非水系液流电池中实现长循环、高能效和低交叉渗透。

图文解读

图1 | 交联PBI骨架与咪唑鎓接枝侧链协同构筑耐有机溶剂的非水系液流电池阴离子交换膜。

该图展示膜设计原则：PBI膜经K₂S₂O₈交联后形成更稳定的骨架和层级孔结构，可增强有机溶剂耐受性并抑制活性物质交叉渗透；随后接枝咪唑鎓侧链，使其作为动态离子传导间隔体，促进DMF基电解液中阴离子快速迁移。

图2 | 不同烷基咪唑鎓接枝膜的结构与传输测试表明丁基咪唑鎓兼具孔道保持和阴离子传输优势。

研究比较乙基、丁基和己基咪唑鎓接枝K-19PBI膜。N 1s XPS证明咪唑鎓成功引入，LF-NMR显示层级孔结构得到保留；电解液吸收和BF₄⁻渗透测试表明，咪唑鎓官能团能增强电解液亲和性和阴离子传输，其中丁基咪唑鎓体系在电导率、力学性能、溶胀和电池效率之间最均衡。

图3 | K-19PBI-yBIm膜在离子电导和活性物质阻隔之间实现高选择性平衡。

随着BIm接枝度提高，膜的IEC、电解液吸收和电荷传输速率同步提升。K-19PBI-0.15BIm在DMF基电解液中电导率最高，达2.14 mS cm⁻¹；K-19PBI-0.1BIm则对MPT和BTD表现出极低渗透率，明显优于Celgard 2500。综合电导率与渗透率，该系列膜展现出高达约10⁵ S s cm⁻³的选择性。

图4 | K-19PBI-0.1BIm在BTD/MPT非水系液流电池中实现高能量效率和长循环稳定性。

该图展示以BTD为负极活性物质、MPT为正极活性物质的非水系液流电池测试。与Celgard和未接枝K-19PBI相比，K-19PBI-yBIm膜具有更高电压效率和能量效率。

K-19PBI-0.1BIm在5 mA cm⁻²下可稳定运行330圈，平均能量效率约66.1%，而Celgard仅运行70圈且平均能量效率约48.8%。

图5 | 介电谱、原位FTIR和MD模拟揭示咪唑鎓侧链诱导BF₄⁻阴离子跳跃传导机制。

转移数测试显示K-19PBI-BIm膜中BF₄⁻传输占主导。宽频介电谱和原位FTIR表明咪唑鎓对BF₄⁻具有显著吸引，并伴随电子密度重排；

MD模拟进一步显示BF₄⁻与咪唑鎓之间存在库仑主导的负相互作用能，柔性丁基链促进BF₄⁻在相邻咪唑鎓位点间动态跳跃，从而提高扩散系数和膜内离子传输速率。

总结

该工作证明，非水系液流电池隔膜性能不只取决于静态孔径和溶胀控制，还可通过动态离子传导位点来重塑有机电解液中的载流子迁移路径。交联PBI骨架负责耐溶剂和阻隔活性物质，咪唑鎓接枝侧链则通过库仑吸引和柔性链段运动诱导BF₄⁻跳跃传导，从而缓解高电导与低渗透之间的矛盾。

K-19PBI-0.1BIm在DMF基NAFB中表现出的长循环稳定性和高能效，为下一代高能量密度非水系液流电池隔膜设计提供了可验证的材料平台和机制依据。

Ultrafast Anion-Hopping Conduction in Organic Solvent via Imidazolium-Grafted Dynamic Ion-Conducting Spacers for Stable Non-Aqueous Flow Batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2026, DOI:10.1002/anie.6160285

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