无膜液流电池新突破：聚合物电解质解决锂金属电池痛点，开辟大规模储能新路径

在追求“双碳”目标的今天，风能、太阳能等可再生能源的快速发展，对大规模、长时储能技术提出了迫切需求。液流电池因其功率和容量可独立设计、循环寿命长等优势，被视为电网级储能的理想选择之一。然而，传统的液流电池，尤其是非水系液流电池，长期以来面临着一个核心挑战：依赖昂贵且与有机溶剂兼容性差的离子交换膜。

近日，一项发表于Nature Communications的研究为我们带来了颠覆性的解决方案。美国辛辛那提大学的研究团队成功开发了一种无膜的非水系液流电池，其核心在于巧妙地使用了聚合物电解质来替代传统的负极电解液，从而绕开了对离子交换膜的依赖。

传统困境：为何要“无膜”？

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在介绍这项创新之前，我们首先要明白“膜”在传统液流电池中的作用与痛点。

膜的“守门员”角色

液流电池通常由正、负两个电解液储罐和堆栈组成。在堆栈中，正负极电解液被一层离子交换膜隔开。这层膜如同一位“守门员”，只允许特定的离子通过以完成电路循环，同时阻止正负极活性物质相互串通导致电池失效。

非水系液流电池的“膜”困境

相比于水系电池，非水系液流电池能提供更高的电压（从而带来更高的能量密度），但其有机溶剂电解质对大多数商用离子交换膜具有腐蚀性或不相容。这使得寻找一款性能稳定、成本低廉的膜变得异常困难，成为制约其发展的关键瓶颈之一。

因此，如果能够彻底移除这层膜，不仅能大幅降低成本，还能极大推动高性能非水系液流电池的发展。实现“无膜”的关键，在于找到一种能自然防止正负极活性物质混合的方法。

当聚合物电解质遇见锂金属

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本文的设计思路非常巧妙——他们构建了一个双相系统，让正负极电解液自然地“分层”，互不侵犯。

核心设计：用固体/凝胶聚合物充当负极“家园”

负极侧（创新点）：研究者为锂金属负极打造了一个固态或凝胶态的“家园”。他们制备了两种聚合物电解质：

固体聚合物电解质：基于聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯。

凝胶聚合物电解质：基于更具生物降解潜力的聚碳酸亚丙酯。

这两种聚合物电解质将锂盐和锂离子“固定”在其三维网络中，形成稳定的负极电解液（Anolyte）。

正极侧：则依然使用溶解了活性物质（一种名为Tri-TEMPO的有机分子）的液态有机溶剂作为正极电解液（Catholyte）。

电化学表征与电池设计示意图a. 基于聚合物负极电解液（固态或凝胶）与有机正极电解液的无膜系统示意图。b. Tri-TEMPO的化学结构式。c, d. 分别显示PVDF-Li和PPC-Li负极电解液与Tri-TEMPO配对后，产生超过3.4V的高电池电压。e. PVDF-Li和PPC-Li负极电解液的循环稳定性测试，表明其与锂金属负极具有良好的相容性。

这样一来，固态/凝胶的负极电解液与液态的正极电解液在物理上形成了液/固或液/凝胶双相系统。由于物态不同，它们自然分层，活性物质难以穿越相界，从而实现了无需离子交换膜的物理隔离。

静态与流动模式下的稳定表现

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研究者们对所构建的两种无膜电池（PVDF-Li和PPC-Li体系）进行了详尽的性能测试。

高电压与高稳定性

两种电池均表现出高的工作电压（约3.45V），远高于传统水系液流电池。同时，电池的关键组件（如锂负极、Tri-TEMPO分子）在长期循环中展现了出色的稳定性，循环后未观察到锂枝晶的形成。

优异的循环性能

无论是在静态还是正极液流动的模式下，电池都表现出高容量保持率和库仑效率。

PVDF-Li电池在静态条件下的充放电性能

a. PVDF-Li在不同Tri-TEMPO浓度下的容量保持率与库仑效率。

c. 在不同电流密度下的充放电曲线，显示出良好的倍率性能。

具体而言，在0.5 M的Tri-TEMPO浓度下：

PVDF-Li体系：在静态条件下，100次循环后容量保持率达90.7%，库仑效率为95.4%；在流动条件下，容量保持率为81.78%。

PPC-Li体系（凝胶电解质）：表现更为出色，静态100次循环后容量保持率高达96.8%，库仑效率为97.8%。

特别值得一提的是，凝胶电解质（PPC-Li）电池在流动条件下运行了长达37天的100次循环，容量保持率仍达78%，证明了该设计在实际运行场景下的巨大潜力。

PPC-Li电池在流动条件下的充放电性能a. PPC-Li电池在流动条件下循环100次（37天）的容量保持率与各项效率。c. 在不同电流密度下的充放电曲线，显示其优异的倍率性能。

更经济、更安全的大规模储能

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这项研究的成功，为未来储能技术的发展提供了新的方向：

大幅降低成本：直接消除了昂贵的离子交换膜。同时，该混合流动设计（仅正极液流动，负极侧静态）也降低了系统的泵送成本和复杂度。

提升安全性：聚合物电解质具有不易燃等特性，增强了电池的本体安全性。

高性能潜力：结合了锂金属负极高能量密度和非水体系高电压的双重优势。

环境友好：研究中使用的PPC聚合物可由二氧化碳制备，具有一定的生物降解性，为绿色电池设计提供了思路。

当然，该技术目前仍处于实验室研发阶段，例如在高电流密度下的性能、聚合物电解质的长期机械稳定性等仍需进一步优化。但毫无疑问，这种无膜双相设计思路为解决液流电池，乃至其他金属电池（如钠、锌电池）面临的隔膜与电解质兼容性问题，开辟了一条全新的、极具吸引力的道路。

这项研究深刻地表明，通过巧妙的材料与结构设计，我们完全有能力突破现有储能技术的瓶颈，为实现清洁能源的高效利用奠定更坚实的基础。

原文参考：Membrane-free redox flow battery with polymer electrolytes

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