成果来源：清华大学王保国教授研究团队

转化作者：艳红

说起质子传导膜，大多数人可能没有听说过，更不知道它是什么，能用来做什么。其实，它从外形上来看，可能跟我们平常见的半透明塑料纸差不多，但它可不是用来装东西的，而是制作全钒液流电池（一种可以节能减排的电化学储能技术）的关键材料。下面我们就来说这张看似普通的“小薄膜”到底有如何神通广大的本领。

在当今，电是维持整个社会正常运转的必需能源，如果大面积停电，可想而知，我们的工作、生活乃至一切都将陷入瘫痪之中。但电作为一种不可再生的二次能源，并不能让我们取之不尽用之不竭，并且传统的化石能源发电，会产生大量污染物排放，容易对环境造成较大影响。而新兴的风力发电和太阳能发电等清洁能源发电，虽然没有环境危机，但是由于风力时快时慢，太阳能在阴天时发电效果极差，并且夜晚不能发电，因此用风能和太阳能发电时的电力系统极其不稳定。那么生活中如何保障电力系统的稳定呢？这就需要大规模的电能储备系统和高效的管理控制方法。

大规模储能不仅可以解决风能、太阳能发电等可再生能源的大规模接入问题，起到节能减排的作用，而且还能帮助电力系统削峰填谷、大幅度提高电网系统的稳定性，方便人们的工作和生活。电能储备有物理储能和电化学储能两种，抽水蓄能电站等物理储能的发展因受到自然环境和社会因素的制约而逐渐放缓，而电化学储能则因在适用性、效率、寿命、充放电、重量和便携式方面更具优势，近年来发展突飞猛进。据统计，我国电化学储能项目的年增长率达到45%，在2016-2017年期间，我国规划和在建的电化学储能项目规模近1.6GW，占到全球规划和在建规模的34%，有望在未来引领产业发展。

全钒液流电池：

大容量储能的新起之秀

全钒液流电池 （VRB）是一种大规模蓄电化学储能装备，是由澳大利亚新南威尔士大学的Maria等人于1985年首次提出并发表的研究成果。全钒液流电池除了成本较高制约其快速发展外，它与目前常用的传统锂离子电池、铅蓄电池相比，有着明显的优势。首先，全钒液流电池更为安全。其电解液本身就不可燃，并且其“体外循环”的运行方式更利于散热，避免了锂离子电池因热失控而着火、爆炸以及铅蓄电池的铅污染等隐患。其次，全钒液流电池特别适用于长时间的电能储存，并且能量转换效率高。与传统电化学储能系统2～4h的储能时间相比，液流电池可达到6～8h，甚至10h以上。能量效率约80%，响应速度快，适合大电流快速充放电。再者，全钒液流电池循环寿命特别长。通常锂电池可以使用8～10年，而液流电池寿命可达20年左右。此外，全钒液流电池电解液的核心物质——元素钒，在地球上储量丰富，并且在电池运行过程中不损耗，电解液可循环利用，不存在资源瓶颈问题。全钒液流电池因其独特优点，在许多领域有着广泛的应用，如平滑风电场的电力输出、光伏发电过程储能、电动汽车充电站储能、军事用途蓄电储能等。

说了这么多，那么到底这张轻轻的薄膜是用来做什么的？与全钒液流电池有什么关系？接下来我们就来揭晓答案。

质子传导膜：

全钒液流电池的关键材料

全钒液流电池的电堆关键材料主要有电解液、电极和双极板、质子传导膜三部分。我们首先来看一下全钒液流电池的储能原理：电池分别以含有四价钒离子/五价钒离子和二价钒离子/三价钒离子的硫酸水溶液作为正极、负极电解液。电池充电时正极电解液中的四价钒被氧化成五价钒，同时负极电解液中的三价钒被还原成二价钒;电池放电时则发生相反的电化学反应。通过上述充电/放电过程的可逆电化学反应，实现电能和化学能相互转化。

那么在这个过程中，质子传导膜起着什么样的作用呢？質子传导膜可以把正极电解液与负极电解液中不同价态的钒离子隔开，同时使电解液中的质子（氢离子）通过，避免充电与放电过程中不同价态的钒离子交叉放电，从而减少能量损失。质子传导膜的性能对电池效率、寿命和成本有重要影响，其必需同时具备较好的导电性、阻钒性、稳定性、限制水渗透性，并且要有较好的机械强度，能耐化学腐蚀、耐电化学氧化，保证较长循环寿命。另外材料价格也应较为合理。

目前市面上的质子传导膜材料主要分为三类，包括 Nafion系列膜、非全氟型质子传导膜、纳米尺度孔径的多孔膜。Nafion膜虽然有优异的电导率和化学稳定性，但由于其钒离子渗透率高，导致储能过程中自放电损失明显，并且价格昂贵。非全氟型质子传导膜成本较低，易于制备，但其长期的稳定性无法得到保证。近年来，清华大学王保国教授团队用自主研发的聚偏氟乙烯（PVDF）纳米多孔膜制备的质子传导膜规避了其他大部分制膜方法的弊端，有望成为制备满足全钒液流电池多项要求的膜材料，进一步推动大容量储能——全钒液流电池的快速发展。