天大胡文彬/吴忠Adv. Sci.: 双相无膜氧化还原电池的发展与挑战

离子交换膜（IEMs）在燃料电池、液流电池等能源生产和存储领域发挥着重要作用，但其大规模应用的主要障碍是膜的高成本。无膜技术是解决这一问题的有希望方法之一，因此受到了广泛关注并进行了大量研究。

在此，天津大学胡文彬教授、吴忠副教授等人介绍了一种新型的无膜技术，其中“双相系统”策略是重点。它是根据不混溶的原理形成稳定的液-液界面，从而分离不同的活性分子。这种“双相系统”电池由于静态和稳定的分相可以设计成大型设备进而用于大规模储能，并且对催化剂的选择性没有要求，只要将活性分子分离形成电池即可。

此外，引入与水不同性质的非水相可在一定程度上避免水系电池中遇到的析氢反应（HER）、析氧反应（OER）等诸多问题，拓宽了电极材料（活性分子）的选择范围。作者详细介绍了分相原理，并列出了各种双相无膜氧化还原电池的种类和性能。此外，还总结了存在的问题、挑战（如交叉污染、低功率性能等）及相应的对策，为无膜电池技术的发展提供了新思路。

图1. 液-液无膜电池的种类及原理

作者描述的使用双相策略消除膜的双相电池是一种新的应用，且双相系统在其他电池领域仍有重要应用：

1）双相电池可以利用非水相的优势解决大多数金属电池负极析氢的问题；

2）“双相策略”也被用于光离子电池。光激发染料和猝灭剂 氧化还原对之间发生光反应，它们分别溶解在水相和有机相中且在液-液界面发生光电子转移反应形成光离子电池，将太阳能转化为电能；

3）在其他膜应用领域，双相电池也具有相当大的应用潜力，如水电解制氢、电渗析、燃料电池等。

图2. 分层无膜电池示意图及其性能

到目前为止，无膜设计还存在各种缺陷，无法大规模使用。其中，双相无膜氧化还原电池理论上是可扩展的、低成本的，最有可能用于大规模储能。当然，除了上述之外，它在应用上还面临着许多问题。水-离子液体电池中的离子液体粘度高、电导率低、成本高，而有机溶剂的使用面临挥发性、易燃性等问题，仍需更多研究。