隔膜材料在如今的生产生活中可以说是无处不在，从蔬菜大棚的薄膜，到汽车玻璃上的防爆膜，再到手机屏幕上的保护膜等等，各种各样的“膜”为我们提供了极大的安全和便利。而很多人不知道的是，在我们手机电池里也有一张隔膜，用于防止电池短路，同时传输离子，它就是“离子膜”。

传统的离子膜材料，用于传导离子的通道不够“坚固”，长时间使用后，结构会发生老化，从而导致性能下降。中国科学技术大学徐铜文教授、杨正金教授团队与合作者设计了一类新型离子膜，可以让离子传输变得“又快又好”，有望广泛应用于能源转化、大规模储能以及分布式发电等领域，该研究成果近日在国际学术期刊《自然》上发表。小小的一张膜蕴含了哪些高科技？我国离子膜的研发又将如何实现从“奋力追赶”到“弯道超车”？

离子膜是燃料电池和液流电池的关键部件，可以说每一块电池都少不了它，离子膜一方面用于阻隔正负极、防止电池短路，同时还能传输离子、保证电池的正常运转。研究团队负责人、中国科学技术大学教授杨正金介绍，离子膜是一种高分子膜材料，在清洁能源、节能减排、能量转换与储存等方面有着广泛的应用前景。

杨正金：离子膜其实就是一张用来传导离子的薄膜，类似保鲜膜这样的高分子膜材料，只不过它可以传导离子。电池里面都会有这张膜，就是为了防止正极和负极直接接触短路。海水淡化膜也是这样的，其实它也是选择性地传导离子，把离子从水里面脱除掉，把海水变成淡水，只不过发挥不同的功能，大类上是一类材料。

电池中的离子膜可以说肩负着重要“使命”，既要阻隔正负极间活性物质来防止短路，又要保证离子在充放电过程中高效通过、减少损耗，而传统离子膜普遍存在“传导性”和“选择性”相互制约的难题，也就是说，传输的“好”与“快”很难兼得，杨正金用“筛子筛小球”来形象地比喻这一过程。

杨正金：我们可以把离子想象成一个小球，如果你想让小球穿过去，就得有一个小孔，如果这个孔做得很小，确实可以筛分不同尺寸的小球，但是它过去的速度就很慢，但如果你把孔做得很大，大球和小球同时都过去了，就没有选择性了。我们想第一个是保证它最大的选择性，能让正极和负极的材料很好地阻隔开；第二个是希望能够让这张隔膜的电阻尽可能小，这样内阻的损耗，电池的发热、效率等等都会有明显改善。

锚定这个目标，研究团队历经多年探索，不断试错和改进，最终创新性地设计出一种具有贯通亚纳米离子通道的“微孔框架离子膜材料”，解决了传统离子膜材料中离子通道老化和吸水溶胀的问题。与此同时，团队在离子通道壁面进行了化学修饰，使离子在膜内的扩散系数接近在水中的状态，实现了近乎“零摩擦”的传导，电池充放电电流密度达到当前普遍报道值的5倍以上。

杨正金：我们现在开发的这种材料就类似海绵，有非常多的孔道结构，它这种孔道还不是柔软的孔，是刚性的很硬的孔，能保持住它的结构不会变形。提高了选择性以后，我们在孔里面再引入一些基团，让离子跨膜传输的阻力变小，就像我们人过河一样，在中间加一些跳板，加一些石墩，我踩着这些跳板和石墩就可以过去。最大的一个贡献是我们把整个电阻降低到几乎没有摩擦的最低程度，就像我们手机快充一样，它现在可以在很大的电流密度下充放电，这样电池充满的时间就会缩短很多。同时它的电阻小、内耗小，能量效率就很高。

杨正金介绍，这种新型离子膜材料更“坚固”的结构和更高的充放电效率，让大规模储能成为可能，如果与光伏发电等强强联合，有望解决太阳能、风能发电的间歇性问题。

杨正金：太阳能和风能没有办法直接大规模应用，它有波动性和间歇性，白天有太阳，晚上没有太阳，我们就需要有一个储能的容器把这些电储存起来。那么用到电池方面，就涉及电池的储能效率，涉及快速充放电、快速响应的过程。因为太阳能和风能属于清洁能源，把这种波动的能量变成相对稳定的输出，这样我们才能直接利用，以前都是受限于储能过程。

我国的离子膜研究起步于1958年，直到上世纪末，还与发达国家存在较大差距。新世纪以来，在我国科学家的不懈努力下，国产离子膜研究正在实现弯道超车，并有望实现从“并跑”到“领跑”的跨越。杨正金说，当前，研究团队正着手将科研成果从“实验室”推向“生产线”，真正助力我国“双碳”目标的实现。

杨正金：目前在基础研究方面，这个膜还有再提升的空间，比如说现在还是一个弯弯曲曲的孔道，将来的目标是做成垂直贯通的，进一步把电阻降到最低。另外，在应用方面，我们想的是把这个隔膜材料在中试规模的电堆上去应用，我们有信心能够在2025年实现这个材料至少在工业园区的应用。我们也希望能够尽快推向市场，这样不光是实现成果的转化，同时也能够真真切切地把科学技术变成最终的生产力。

监制丨樊新征

记者丨刘梦雅

编辑丨李瑞

图片来源丨中国科学技术大学

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