聚合物离子选择性膜因其成本低、易于规模化制备等优势，是目前市场上主流的液流电池膜材料。然而，与具有周期性和规整有序孔结构的无机纳米多孔材料（如MOF、COF）不同，传统方法制备的聚合物膜通常具有不规则无序孔结构，难以实现液流电池活性物质和载流子的精确筛分，存在选择性和渗透性相互制约的Trade-off效应。

为突破这一限制，李先锋团队提出了一种界面交联新策略，通过将聚合物交联反应限制在有限的界面空间内，制备出由纳米级分离层和支撑层组成的超薄聚合物膜。测试结果表明，分离层中稳健的共价交联网络结构提高了膜的机械稳定性，其横向拉伸强度和纵向硬度均优于商业化的Nafion 212膜，使的所开发聚合物膜材料的厚度可以降低至3 μm。

研究发现，该膜材料分离层的孔径分布在1.8 Å至5.4 Å之间，与具有规整孔道结构的无机纳米多孔材料相似，因此，被称为“准有序”网状交联结构。这种孔径分布恰好位于液流电池活性物质和载流子的尺寸之间，实现了对活性物质的精确筛分和对载流子的快速传导。同时，纳米级分离层及膜整体厚度的降低进一步减少了离子传输阻力，使所开发的超薄膜在宽pH范围内均表现出超低的面电阻和活性物质渗透系数，突破了聚合物膜选择性和渗透性的Trade-off效应。

在实际应用测试中，团队将该膜材料应用于全钒液流电池，在300 mA/cm2的高电流密度下，电池的能量效率超过80%。此外，该超薄膜还可以应用于碱性锌铁液流电池和水系有机液流电池，在高电流密度下均展现出优异的性能。通过改变交联剂的类型，团队进一步验证了界面交联策略的普适性。

该研究为设计具有高机械稳定性、超低面电阻和渗透系数的超薄膜提供了新思路，有利于提升多种水系液流电池的工作电流密度和功率密度。

上述成果以“Ultrathin membranes prepared through interfacial polymer cross-linking for selective and fast ion transport”为题，于近日发表在《自然-化学工程》（Nature Chemical Engineering）上。该工作的共同第一作者为DNL17博士研究生刘晓楠、已毕业博士石梦奇、廖晨伊副研究员。以上工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院A类先导专项“基于高比例可再生能源的储能关键技术与示范”、中国科学院青促会等项目的支持。