July 9, 2026

第一作者：魏仕国 通讯作者：王刚，王瑞林 通讯单位：四川大学 工作简介 钒液流电池（VRFB）要求离子交换膜（IEM）同时实现快速质子传输、低钒跨膜渗透与净电解质迁移抑制，但上述性能通常存在强耦合关系。含磺化联苯（SBP）的苯并咪唑基膜已在燃料电池领域开展研究，但其在钒液流电池中的性能与适用性仍缺乏充分探索。四川大学王刚博士、王瑞林教授团队采用一锅法苯并咪唑化 / 酰化策略，制备了聚醚苯并咪唑（OPBI）基两性膜（OPBI-SBPx）。该设计将侧链磺化、具有位阻效应的联苯单元（二面角 62°）共价引入 OPBI 主链，在提供磺酸基质子传导位点的同时调控分子链堆积。结构表征表明，扭曲的 SBP 结构单元增大了链间距，促进了纳米相分离亲水畴的形成；而磺酸基团与苯并咪唑链段间的酸碱相互作用可抑制膜的过度溶胀与净电解质迁移。这种协同调控构建了利于质子传导、同时限制水合钒物种渗透的选择性传输结构。优化后的 OPBI-SBP50 膜电导率达 87.3 mS cm-1，VO2+渗透率较预处理过的 Nafion 212 膜低近 4 个数量级，且净的电解质迁移趋近于零。搭载 OPBI-SBP50 膜的 VRFB 单电池在 140~180 mA cm-2电流密度下稳定循环了 830 次，能量效率维持在 80%~84%。研究表明，将扭曲联苯链堆积调控与离子侧链工程相结合，是设计高性能、高选择性 OPBI 基两性膜的有效策略，可应用于下一代高性能钒液流电池。 相关研究成果以“Twisted biphenyl-mediated chain-packing regulation enables polybenzimidazole-based amphoteric membranes to decouple ionic conductivity from vanadium crossover for vanadium redox flow batteries”为题发表在Chemical Engineering Journal上。 感谢四川大学王刚&王瑞林团队（第一作者：魏仕国）供稿！ 本文所用 螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 化石能源的消耗困境与环境危机推动可再生能源规模化应用，但其间歇性特征使大规模储能技术成为刚需。全钒氧化还原液流电池（VRFB）凭借功率 – 能量解耦、本征安全与长循环寿命，成为固定式储能领域最具前景的电化学体系，离子传导膜是决定其性能的核心组件。商用全氟磺酸膜兼具高电导率与化学稳定性，但成本高昂且钒渗透率高；非氟芳香族膜可通过结构调控平衡质子传导与钒渗透抑制，却普遍存在稳定性不足的问题。聚苯并咪唑（PBI）基膜凭借刚性主链与强氢键网络，展现出优异的耐氧化性与本征阻钒性能，但其质子电导率偏低；现有改性策略虽可提升传导性能，却往往伴随工艺复杂、耐久性下降等局限，难以同时实现高电导、高选择与高稳定。近期研究证实扭曲芳香结构可调控链堆积与传输通道，为突破膜性能权衡提供了新路径，其中磺化联苯（SBP）结构已在燃料电池中展现应用潜力，但其在钒液流电池中的作用机制与适用性仍缺乏系统研究。基于此，本文将侧链磺化扭曲联苯单元共价引入聚醚苯并咪唑主链，通过一锅法制备系列 OPBI-SBPx 共聚物膜，系统探究了主链扭曲与离子侧链的协同调控效应，为高性能 VRFB 隔膜提供了新的分子设计策略。 核心内容 1.OPBI-SBPx 膜的设计与结构表征 方案1.SBP单体与OPBI-SBPx共聚物的合成路线 如方案一所示，本文通过一锅法酰化 / 苯并咪唑化路线，将侧链磺化联苯（SBP）单元共价引入聚醚苯并咪唑（OPBI）主链，制备了系列组成可调的 OPBI-SBPx 两性膜。DFT 结构优化证实，SBP 单元的联苯二面角为 62°，具有显著扭曲非共面构象，可发挥链堆积调控作用。光谱表征验证了聚合物的成功合成：磺酸基团随 SBP 含量提升逐步接枝到主链，且磺酸基团与苯并咪唑单元间存在显著酸碱相互作用。 图1.(a) OPBI 和 OPBI-SBPx 膜的 FT-IR 光谱；(b) OPBI-SBPx 在 DMSO‑d6中的1H NMR 光谱；(c–e) OPBI-SBP25、OPBI-SBP40 和 OPBI-SBP50 的表面 SEM 图像；(f–h) 相应的横截面 SEM 图像 图2.OPBI-SBPx 膜的原子力显微镜三维高度图与相位图。(a) OPBI-SBP25 的三维高度图；(b) OPBI-SBP50 的三维高度图；(c) OPBI-SBP25 的相位图；(d) OPBI-SBP50 的相位图 形貌与聚集态结构表征显示（图1），膜结构致密无缺陷，整体呈无定形特征；为阐明 OPBI-SBPx 膜的微观结构与相分离形貌，他们采用轻敲模式原子力显微镜（AFM）测试了高度图与相位图（图2）。随 SBP 含量增加，聚合物链间距逐步增大，纳米相分离亲水畴的尺寸、占比与连通性同步提升，最终形成“致密 OPBI 基体 + 局部分散亲水富集区”的受限纳米相分离形貌。   […]