在追求“雙碳”目標的今天，風能、太陽能等可再生能源的快速發展，對大規模、長時儲能技術提出了迫切需求。液流電池因其功率和容量可獨立設計、循環壽命長等優勢，被視為電網級儲能的理想選擇之一。然而，傳統的液流電池，尤其是非水系液流電池，長期以來面臨著一個核心挑戰：依賴昂貴且與有機溶劑兼容性差的離子交換膜。

近日，一項發表于Nature Communications的研究為我們帶來了顛覆性的解決方案。美國辛辛那提大學的研究團隊成功開發了一種無膜的非水系液流電池，其核心在于巧妙地使用了聚合物電解質來替代傳統的負極電解液，從而繞開了對離子交換膜的依賴。

傳統困境：為何要“無膜”？

Millennial Lithium

在介紹這項創新之前，我們首先要明白“膜”在傳統液流電池中的作用與痛點。

膜的“守門員”角色

液流電池通常由正、負兩個電解液儲罐和堆棧組成。在堆棧中，正負極電解液被一層離子交換膜隔開。這層膜如同一位“守門員”，只允許特定的離子通過以完成電路循環，同時阻止正負極活性物質相互串通導致電池失效。

非水系液流電池的“膜”困境

相比于水系電池，非水系液流電池能提供更高的電壓（從而帶來更高的能量密度），但其有機溶劑電解質對大多數商用離子交換膜具有腐蝕性或不相容。這使得尋找一款性能穩定、成本低廉的膜變得異常困難，成為制約其發展的關鍵瓶頸之一。

因此，如果能夠徹底移除這層膜，不僅能大幅降低成本，還能極大推動高性能非水系液流電池的發展。實現“無膜”的關鍵，在于找到一種能自然防止正負極活性物質混合的方法。

當聚合物電解質遇見鋰金屬

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本文的設計思路非常巧妙——他們構建了一個雙相系統，讓正負極電解液自然地“分層”，互不侵犯。

核心設計：用固體/凝膠聚合物充當負極“家園”

負極側（創新點）：研究者為鋰金屬負極打造了一個固態或凝膠態的“家園”。他們制備了兩種聚合物電解質：

固體聚合物電解質：基于聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯。

凝膠聚合物電解質：基于更具生物降解潛力的聚碳酸亞丙酯。

這兩種聚合物電解質將鋰鹽和鋰離子“固定”在其三維網絡中，形成穩定的負極電解液（Anolyte）。

正極側：則依然使用溶解了活性物質（一種名為Tri-TEMPO的有機分子）的液態有機溶劑作為正極電解液（Catholyte）。

電化學表征與電池設計示意圖a. 基于聚合物負極電解液（固態或凝膠）與有機正極電解液的無膜系統示意圖。b. Tri-TEMPO的化學結構式。c, d. 分別顯示PVDF-Li和PPC-Li負極電解液與Tri-TEMPO配對后，產生超過3.4V的高電池電壓。e. PVDF-Li和PPC-Li負極電解液的循環穩定性測試，表明其與鋰金屬負極具有良好的相容性。

這樣一來，固態/凝膠的負極電解液與液態的正極電解液在物理上形成了液/固或液/凝膠雙相系統。由于物態不同，它們自然分層，活性物質難以穿越相界，從而實現了無需離子交換膜的物理隔離。

靜態與流動模式下的穩定表現

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研究者們對所構建的兩種無膜電池（PVDF-Li和PPC-Li體系）進行了詳盡的性能測試。

高電壓與高穩定性

兩種電池均表現出高的工作電壓（約3.45V），遠高于傳統水系液流電池。同時，電池的關鍵組件（如鋰負極、Tri-TEMPO分子）在長期循環中展現了出色的穩定性，循環后未觀察到鋰枝晶的形成。

優異的循環性能

無論是在靜態還是正極液流動的模式下，電池都表現出高容量保持率和庫侖效率。

PVDF-Li電池在靜態條件下的充放電性能

a. PVDF-Li在不同Tri-TEMPO濃度下的容量保持率與庫侖效率。

c. 在不同電流密度下的充放電曲線，顯示出良好的倍率性能。

具體而言，在0.5 M的Tri-TEMPO濃度下：

PVDF-Li體系：在靜態條件下，100次循環后容量保持率達90.7%，庫侖效率為95.4%；在流動條件下，容量保持率為81.78%。

PPC-Li體系（凝膠電解質）：表現更為出色，靜態100次循環后容量保持率高達96.8%，庫侖效率為97.8%。

特別值得一提的是，凝膠電解質（PPC-Li）電池在流動條件下運行了長達37天的100次循環，容量保持率仍達78%，證明了該設計在實際運行場景下的巨大潛力。

PPC-Li電池在流動條件下的充放電性能a. PPC-Li電池在流動條件下循環100次（37天）的容量保持率與各項效率。c. 在不同電流密度下的充放電曲線，顯示其優異的倍率性能。

更經濟、更安全的大規模儲能

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這項研究的成功，為未來儲能技術的發展提供了新的方向：

大幅降低成本：直接消除了昂貴的離子交換膜。同時，該混合流動設計（僅正極液流動，負極側靜態）也降低了系統的泵送成本和復雜度。

提升安全性：聚合物電解質具有不易燃等特性，增強了電池的本體安全性。

高性能潛力：結合了鋰金屬負極高能量密度和非水體系高電壓的雙重優勢。

環境友好：研究中使用的PPC聚合物可由二氧化碳制備，具有一定的生物降解性，為綠色電池設計提供了思路。

當然，該技術目前仍處于實驗室研發階段，例如在高電流密度下的性能、聚合物電解質的長期機械穩定性等仍需進一步優化。但毫無疑問，這種無膜雙相設計思路為解決液流電池，乃至其他金屬電池（如鈉、鋅電池）面臨的隔膜與電解質兼容性問題，開辟了一條全新的、極具吸引力的道路。

這項研究深刻地表明，通過巧妙的材料與結構設計，我們完全有能力突破現有儲能技術的瓶頸，為實現清潔能源的高效利用奠定更堅實的基礎。

原文參考：Membrane-free redox flow battery with polymer electrolytes

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