中国科学家突破离子膜技术瓶颈 有机液流电池实现产业化重大跨越

问题——新型储能需求加速释放,但长时储能关键路线仍待突破。

随着风电、光伏等新能源装机规模快速增长,电力系统对“能量型”储能的需求显著上升,尤其在调峰、调频、备用与多能互补等场景中,具备长时、可扩展、安全特性的技术路线更受关注。

液流电池因功率与容量可分别设计、循环寿命长、热失控风险相对低,被视为重要选项之一。

然而,水系有机液流电池尽管具备原料来源更广、体系可设计性强等潜力,长期以来受制于关键材料瓶颈,一度被业内认为距离产业化较远。

原因——核心“膜”卡住系统效率与寿命的同时优化空间。

液流电池运行依赖离子在正负极电解液之间定向迁移。

承担这一任务的离子交换膜既要让离子快速通过以降低内阻、提升功率密度,又要有效阻隔活性物质交叉渗透以维持容量与稳定性。

过去较为突出的矛盾在于:提升传输能力往往意味着结构更“疏松”,从而带来更高的渗透与更快的衰减;而强调阻隔与稳定又常伴随更大的传输阻力,造成效率下降、热管理压力增大,进而影响规模化与成本。

该矛盾使水系有机液流电池的性能指标难以跨越工程应用门槛,产业信心与资本投入也因此受影响。

影响——材料创新带来指标跃升,打通从论文到工程的关键一环。

针对上述难题,徐铜文院士团队提出结构设计新思路,创制具有刚性三嗪框架结构的新型离子膜,并在国际学术期刊发表相关成果。

该类膜材料在保持结构稳定的同时实现更高效的离子传输,显著降低传输阻力,形成“高通量与高选择性兼顾”的效果。

实验结果显示,电池充放电密度提升至每平方厘米500毫安,达到当时普遍报道水平的五倍以上。

对液流电池而言,功率密度提升意味着在同等输出功率下可降低堆叠面积与系统体量,有助于降低系统集成与设备成本;稳定性改善则直接关系到循环寿命、运维频次与全生命周期经济性。

更重要的是,这一突破为产业链提供了可验证、可复制的关键材料方案,使“可用”走向“可规模化”,为后续工程化放大奠定基础。

对策——以示范工程牵引产业协同,推动标准化与规模化落地。

科技成果转化的关键在于跨越中试与工程化“死亡谷”。

围绕水系有机液流电池路线,相关团队在材料突破基础上进一步推进系统集成与工程示范,建成全球首套兆瓦级水系有机液流电池储能系统并实现商业化运营。

示范项目的意义不仅在于单点技术“能跑起来”,更在于把材料、堆栈、泵阀管路、控制系统与安全运维等环节在真实工况下打通验证,形成可推广的工程经验。

面向更大规模应用,业内普遍认为需在几方面持续发力:其一,加强关键材料与部件的规模制备能力,稳定批次一致性;其二,完善性能评价、寿命测试与安全规范,推动产品可比可验;其三,以应用场景为牵引开展系统优化,围绕电网侧调峰、可再生能源基地配套、工商业园区等需求形成差异化方案;其四,推动产学研用协同,降低初期示范成本,扩大市场认知与采购信心。

前景——长时储能赛道竞争加剧,材料与系统双轮驱动将决定“领跑”成色。

当前全球长时储能技术路线并行推进,锂电、钠电、液流电池、压缩空气、氢储能等各有适用边界。

水系有机液流电池若要持续扩大优势,仍需在成本、效率、寿命、环境适应性与供应链安全等方面形成系统性竞争力。

离子膜突破为该路线打开了新的性能空间,但产业化的“最后一公里”仍取决于工程可靠性、规模制造与商业模式的匹配。

可以预期,随着新能源渗透率进一步提升、电力市场机制完善以及长时储能价值逐步显现,具备安全性和可扩展优势的液流电池应用将扩大;在此过程中,谁能率先形成稳定可复制的产品体系与标准体系,谁就更可能在新型储能产业竞争中占据主动。

从实验室的分子结构创新到兆瓦级工程化应用,中国科学家用十年磨一剑的坚持诠释了"把论文写在祖国大地上"的科研精神。

这项跨越式突破不仅为全球能源转型提供了中国方案,更彰显了我国在关键核心技术攻关上的战略定力。

随着"双碳"目标深入推进,以原创性、颠覆性技术驱动的新能源产业变革,正在重塑全球绿色发展的竞争格局。