社会的可持续发展依赖于对清洁可再生能源的高效利用。然而，由于风能、太阳能等天然能源具有间歇性、波动性的特点影响电力系统的稳定，使其难以直接并入电网。长时储能技术能够有效解决电力系统的电力电量平衡的问题，是可再生能源供电的必要技术支撑。全钒液流电池（VRFB）是一种利用钒离子的价态变化来储存和释放能量的长效储能系统。它具有高安全性、大容量、长寿命等优势。VRFB的设计灵活性使其适合于多种场景，从千瓦级住宅储能到兆瓦级电网储能。例如，电池的容量可以很容易地通过扩大电解液体积来增加，由此备受产业界关注。VRFB的电极与储能活性物质完全分开，其活性物质储存于电解液中，通过隔膜分开的阴阳极室循环，因此隔膜的性能优劣直接影响着液流电池的能量效率和使用寿命。由于正负极两个半电池之间需要有良好的质子导通效果，所以VRFB用隔膜主要为质子交换膜（PEM）。全氟磺酸膜由于其优异的质子电导率、机械强度及化学稳定性，在VRFB中使用广泛。其中，美国科慕公司生产的Nafion系列膜是商业化最广泛的质子交换膜。但是，由于Nafion的离子相区（3~5 nm）与水合钒离子（~0.6 nm）之间尺寸的较大差异，在应用时存在严重的钒离子渗透的问题，进而影响电池效率。所以，研究者们致力于对Nafion膜进行改性，以达到在保留Nafion膜优异性能的同时降低钒离子渗透。

吉林大学李昊龙课题组讨论了VRFB的工作原理、全氟磺酸膜的结构及性能特征，总结了适用于Nafion膜的表面改性和本体改性方法，详细讨论了两种改性方法对Nafion膜的性能调控作用，并引用介绍了两种方法的发展前沿和代表性成果。

作者着重综述了通过Nafion改性方法对杂化膜的性能调控，包括表面改性和本体改性两类。其中，表面改性是在PEMs表面引入保护层从而有效提升燃料/活性物质阻隔性的方法。具体措施可分为：涂敷法、沉积法、化学接枝法以及构建夹层法。目前，表面改性仍存在改性层在强氧化性中不稳定导致脱落的问题。而本体改性是一种杂化复合策略，通过将功能性添加剂引入聚合物基体来实现对PEMs性能提升的方法。按填料种类分类可分为：聚合物填料、无机氧化物纳米材料、碳纳米材料、框架材料以及多金属氧簇。但是，一些本体改性的添加剂，例如阳离子聚合物添加剂，会导致磺酸基团数量的减少，造成Nafion膜的质子电导率下降，从而增加了膜的面电阻，最终导致VRFB能量效率降低。因此，协调钒离子渗透率与质子电导率之间的平衡，合理设计和制备具有优异离子选择性的Nafion 膜，仍是学术界和产业界共同面临的挑战。

Nafion-Based Proton Exchange Membranes for Vanadium Redox Flow Batteries

Siqi He, Shengchao Chai, Prof. Haolong Li

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202402506