李旅，鞏守濤，馬艷嬌，張奎博，張鳳祥

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧盤錦124221）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步需要，人類對(duì)于能源的需求與日俱增。然而，傳統(tǒng)化石能源的過(guò)度使用不僅加劇了能源短缺，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染與破壞。因此，發(fā)展燃料電池、儲(chǔ)能電池等高效、清潔、可持續(xù)的新型能源轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)技術(shù)就成為了一種必然。與傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電方式不同，燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)技術(shù)，其工作過(guò)程不受卡諾循環(huán)的限制，因此具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率。近年來(lái)，陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）因其低催化劑成本、低燃料滲透性等優(yōu)點(diǎn)引起廣泛關(guān)注，其工作原理如圖1(a)所示：氫氣在陽(yáng)極氧化釋放電子，電子經(jīng)外部電路傳導(dǎo)至陰極與氧氣和水結(jié)合產(chǎn)生氫氧根，氫氧根通過(guò)隔膜傳輸至陽(yáng)極構(gòu)成整個(gè)回路[1]。氫氧根在膜內(nèi)的傳輸方向與氫氣擴(kuò)散方向相反，前者的電滲拖曳效應(yīng)能夠有效抑制燃料滲透。全釩液流電池（VFB）[如圖1(b)所示]可看做是一種基于金屬釩元素的氧化還原可再生燃料電池，其電解液為不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸或混酸溶液；電解液在泵的推動(dòng)下在電池內(nèi)部與儲(chǔ)罐間進(jìn)行循環(huán)，這個(gè)過(guò)程可發(fā)生釩離子自身的價(jià)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化[2]。VFB具備循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電特性良好、功率與容量獨(dú)立可控、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，陰離子交換膜（AEM）作為其離子傳導(dǎo)隔膜，可因“Donnan 效應(yīng)”起到良好的阻釩效果，在傳導(dǎo)硫酸根的同時(shí)有效隔絕正負(fù)極釩離子的交叉滲透，從而進(jìn)一步提高電池循環(huán)壽命[3]。

圖1 陰離子交換膜燃料電池與全釩液流電池示意圖

近期本文作者課題組和國(guó)內(nèi)外其他研究者發(fā)現(xiàn)，在膜內(nèi)引入合適的自由體積或微孔可降低膜內(nèi)離子傳導(dǎo)阻力，實(shí)現(xiàn)較低IEC 下的相對(duì)高電導(dǎo)率。此外，雖然AEM本身能夠有效抑制AEMFC和VFB的燃料或釩離子滲透性，當(dāng)膜內(nèi)的自由體積和微孔過(guò)大時(shí)依然可能造成高的燃料或離子滲透性，因而如何調(diào)控和優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，使其在保障OH-或SO2-4傳導(dǎo)的過(guò)程中，有效降低燃料或釩離子滲透性也成為了該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。由于氫氣分子和水合釩離子的半徑存在差異（0.14nm vs 0.21～0.32nm[8-9]），AEMFC和VFB對(duì)AEM的孔徑大小要求也有所不同——與VFB 相比，燃料電池需要更低的孔徑以降低氣體滲透。在此，本文依據(jù)膜內(nèi)自由體積或微孔孔徑的大小、制備方法及應(yīng)用等的不同，分為以下三個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 可用于燃料電池的高自由體積線形和枝化聚合物AEM

AEM 由聚合物骨架和與之共價(jià)相連的有機(jī)正離子基團(tuán)組成，或者聚合物骨架本身就含有正離子結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)骨架多為線形芳香結(jié)構(gòu)（如聚芳醚砜[10-14]、聚醚醚酮[15-18]及聚苯醚[19-23]等），該結(jié)構(gòu)可賦予聚合物良好的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，但這些聚合物多數(shù)結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，鏈間作用力較強(qiáng)，鏈堆積密度大，從而使膜內(nèi)離子傳輸阻力大。本文作者課題組[24]分別以雙酚A[圖2(a)]、對(duì)苯雙酚[圖2(b)]和六氟雙酚A[圖2(c)]單體與4,4'-二氟二苯砜進(jìn)行縮聚合成了三種聚砜材料，繼而進(jìn)行相同程度的氯甲基化與咪唑化處理，得到IEC相近（1.75mmol/g）的AEM[如圖3(a)所示]。結(jié)果表明，含雙酚A結(jié)構(gòu)的聚砜膜具有更高的離子傳導(dǎo)率（室溫下19.68mS/cm）。這是由于雙酚A 單體所引入的異丙基能夠帶來(lái)較大的空間位阻，降低主鏈之間的堆積密度，從而提高膜內(nèi)自由體積，降低離子傳輸阻力。Miyatake 等[25]通過(guò)無(wú)規(guī)共聚的方法在聚合物上引入較大體積的芴基結(jié)構(gòu)[其扭曲非共面結(jié)構(gòu)如圖2(d)所示]，并在其四個(gè)苯環(huán)活性位點(diǎn)上進(jìn)行較密集的離子化，所得AEM結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示；該膜的IEC為2.54mmol/g，60℃下離子傳導(dǎo)率可達(dá)78mS/cm，遠(yuǎn)高于相似條件下其他芳香族AEM，這可歸因于高IEC和密集離子化所帶來(lái)的微相分離效應(yīng)，也與芴基的大體積非共面結(jié)構(gòu)提升了膜內(nèi)自由體積有關(guān)。此后，Lin 等[26]和Gong 等[27]也分別將含大體積的酚酞結(jié)構(gòu)[圖2(e)]引入聚砜主鏈，并在扭曲的酚酞結(jié)構(gòu)上接枝離子基團(tuán)，以實(shí)現(xiàn)良好的離子傳導(dǎo)效果。

圖2 雙酚A，對(duì)苯二酚，六氟雙酚A，雙酚芴，酚酞單體和雜萘聯(lián)苯酮與十氟聯(lián)苯縮合的3D球棍模型圖

上述工作證實(shí)了大體積結(jié)構(gòu)單元能夠降低AEM 的主鏈堆積密度，增加膜內(nèi)自由體積，促進(jìn)離子傳導(dǎo)，但這些膜的自由體積效應(yīng)仍然有限，因此IEC仍然較高，造成膜的吸水溶脹嚴(yán)重，不利于在燃料電池中的長(zhǎng)期運(yùn)行。因此有必要通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步強(qiáng)化自由體積效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)膜在較低IEC、較低溶脹下的高性能。在這方面，本文作者課題組[28]將雜萘聯(lián)苯酮的彎曲結(jié)構(gòu)[圖2(f)]與芴基的扭曲結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)制備了新型非共面AEM[如圖3(c)所示]，并通過(guò)正丁醇吸附、差式掃描量熱（DSC）和正電子湮沒(méi)壽命譜（PALS）等手段探究了其自由體積特征，發(fā)現(xiàn)彎曲扭曲非共面結(jié)構(gòu)相對(duì)于單純的扭曲或彎曲結(jié)構(gòu)更有利于膜內(nèi)自由體積的提升，所制備的新型非共面AEM在IEC為1.25mmol/g，溫度為70℃時(shí)的電導(dǎo)率高達(dá)70mS/cm，而其溶脹僅為4.56%，這表明彎曲-扭曲非共面結(jié)構(gòu)在抑制吸水溶脹方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)所賦予的高自由體積可在膜內(nèi)提供一定的水存儲(chǔ)空間，避免膜的高度溶脹。采用這種AEM 所組裝的氫氧燃料電池的峰值功率密度達(dá)262mW/cm2，開(kāi)路電壓（OCV）為1.07V，高OCV 表明膜的高自由體積并沒(méi)有造成燃料氣體的明顯滲透，因?yàn)槟な窃谖疇顟B(tài)下工作，而氫氣在水中的溶解度很低。

圖3 ImPSf-A，ImPSf-B，ImPSf-C，QPE及NCBP-Im的結(jié)構(gòu)式［24-25，28］

圖4 帶有高度枝化側(cè)鏈的咪唑離子化聚砜AEM結(jié)構(gòu)式［29］

除彎曲扭轉(zhuǎn)非共面主鏈外，大體積側(cè)基也能夠帶來(lái)較高的自由體積。本文作者課題組[29]在氯甲基化聚砜的芐氯位點(diǎn)上利用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）路線接入高度支化的側(cè)基，并在側(cè)基上完成咪唑化，其結(jié)構(gòu)式如圖4所示。DSC和正丁醇吸附測(cè)試證實(shí)了膜的高自由體積特性。該膜較普通的咪唑化聚砜（不含枝化側(cè)基）AEM在相同IEC下表現(xiàn)出更低的溶脹（28.92%vs 49.51%）和更高的離子傳導(dǎo)率（27mS/cm vs 16mS/cm）。Gao 等[30]通過(guò)傅克酰基化反應(yīng)在PPO 主鏈上接枝含苯環(huán)與哌嗪鹽的剛性側(cè)基并通過(guò)PALS證實(shí)膜內(nèi)自由體積的存在，其在IEC為1.95mmol/g時(shí)，室溫電導(dǎo)率達(dá)61mS/cm。

上述基于傳統(tǒng)線形芳香族聚合物的改性證實(shí)了自由體積的引入對(duì)膜離子傳導(dǎo)性能的促進(jìn)作用。然而線型結(jié)構(gòu)所具有的柔性限制了膜內(nèi)自由體積的進(jìn)一步增加，因而需要探索新的策略來(lái)調(diào)控膜內(nèi)自由體積。

2 可用于燃料電池的高自由體積梯形聚合物AEM

與線形聚合物[如圖5(a)所示]不同，梯形聚合物（ladder polymer，又稱雙線聚合物），是由兩個(gè)以上的單鏈高密度交聯(lián)生成的結(jié)構(gòu)類似梯形的聚合物[如圖5(b)所示]。若其結(jié)構(gòu)中有部分單鍵連接著其余的梯形分子鏈節(jié)，則稱為分段梯形聚合物（step ladder polymer）或半梯形聚合物。梯形聚合物因其分子鏈由連續(xù)的剛性環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成而表現(xiàn)出很低的內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度，若分子鏈上存在剛性的扭曲非共面結(jié)構(gòu)，往往就能堆疊出較大的自由體積并形成微孔，即自具微孔聚合物（polymers of intrinsic microporosity，PIM）[31]。

Yang 等[32]利用Tr?ger’s base 結(jié)構(gòu)中剛性的V 形骨架構(gòu)建了一系列內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度不同的半梯形或梯形AEM[圖6(a)～(c)]，并通過(guò)BET 證實(shí)其自由體積隨內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度的降低而逐步增加。其中，Trip-QTB自由體積最高，但堿穩(wěn)定性差、甲醇滲透性高，因此不具備在燃料電池中的應(yīng)用價(jià)值；DMDPM-QTB自由體積最低，離子傳導(dǎo)性較差；相比之下，DMBP-QTB 的自由體積適中，在0.82mmol/g 的IEC和80℃下表現(xiàn)出了高達(dá)164.4mS/cm 的電導(dǎo)率。然而，以上PIM 的高度剛性結(jié)構(gòu)使AEM 力學(xué)性能較差。針對(duì)這一問(wèn)題，Hu 等[33]采用共聚策略將前兩種Tr?ger’s base結(jié)構(gòu)結(jié)合，并引入多陽(yáng)離子交聯(lián)結(jié)構(gòu)，得到了如圖6(d)所示的Tr?ger’s base 聚合物AEM。該膜在IEC=1.67mmol/g、80℃條件下電導(dǎo)率為103.9mS/cm，60℃氫氧燃料電池的峰值功率密度達(dá)158mW/cm2，室溫下吸水率與溶脹率分別為41.17%與14.58%，同時(shí)也表現(xiàn)出較高拉伸強(qiáng)度（29.70MPa）和較好的柔韌性（可對(duì)膜進(jìn)行自由彎折）。雖然Tr?ger's base 聚合物表現(xiàn)出明顯的自由體積效應(yīng)，對(duì)離子傳遞具有顯著促進(jìn)作用，但其骨架上的季銨結(jié)構(gòu)極易被氫氧根進(jìn)攻而發(fā)生降解，使得Tr?ger's base結(jié)構(gòu)開(kāi)環(huán)，剛性的V形結(jié)構(gòu)遭到破壞（其降解路徑如圖7所示）[31]，這個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步去解決。

圖5 線形聚合物及梯形聚合物的示意圖

Ishiwari 等[34]通過(guò)對(duì)PIM-1 的溴化和季銨化修飾，制備了一種季銨化位點(diǎn)與剛性扭曲結(jié)構(gòu)相獨(dú)立的高自由體積AEM[圖8(a)]。這種膜的季銨基團(tuán)降解不會(huì)引起自由體積的降低，因此具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上的優(yōu)勢(shì)，但仍然無(wú)法擺脫P(yáng)IM結(jié)構(gòu)的高脆性低韌性問(wèn)題，難以進(jìn)行下一步應(yīng)用。針對(duì)此問(wèn)題，本文作者課題組[35]將離子化聚砜與低離子化PIM-1進(jìn)行共混，得到兼具高離子傳導(dǎo)性能、高強(qiáng)度與柔性的陰離子交換膜[圖8(b)]。隨著PIM 含量的增加，共混膜的IEC、吸水率、溶脹率逐漸降低，比表面積、機(jī)械強(qiáng)度與離子傳導(dǎo)率逐漸增大。當(dāng)PIM-1在膜內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，該膜在較低IEC 下（0.77mmol/g）室溫電導(dǎo)率達(dá)16.9mS/cm，其氫氧燃料電池峰值功率密度達(dá)163mW/cm2。

圖6 基于Tr?ger’s base結(jié)構(gòu)的陰離子交換膜［32-33］

圖7 Tr?ger’s base聚合物的開(kāi)環(huán)降解途徑［31］

圖8 基于PIM-1結(jié)構(gòu)的AEM及PIM-聚砜共混AEM結(jié)構(gòu)示意圖［35］

綜上可見(jiàn)，自由體積或微孔的引入對(duì)于燃料電池用陰離子交換膜的離子傳導(dǎo)能力有著顯著的提升。為了方便對(duì)照，本文將相關(guān)文獻(xiàn)中不同功能結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的膜性能及自由體積或微孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總（見(jiàn)表1）。從表1 可以看出，扭曲、彎曲、大側(cè)基等特殊結(jié)構(gòu)單元，以及梯形骨架的構(gòu)筑，確實(shí)使膜內(nèi)自由體積增加或微孔尺寸增大，離子傳導(dǎo)性能提高。但過(guò)大的微孔或自由體積有可能帶來(lái)較高的燃料滲透性，反而不利于膜的實(shí)際應(yīng)用。需要指出的是，AEM自由體積的準(zhǔn)確表征目前仍是一個(gè)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于自由體積與燃料滲透關(guān)系的研究也相當(dāng)有限，文獻(xiàn)報(bào)道的相關(guān)數(shù)據(jù)由于測(cè)試方法不同，尚缺乏系統(tǒng)性和可比性，因此需要進(jìn)一步的工作去探究二者的關(guān)系。另外考慮到自由體積對(duì)膜強(qiáng)度的影響，可在膜內(nèi)同時(shí)引入高剛性的扭曲結(jié)構(gòu)和適量的柔性鏈以提供適度的自由體積和微孔，使所得的AEM具有較好的機(jī)械強(qiáng)度與韌性。

3 可用于液流電池的微孔型AEM

作為一種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，全釩液流電池需要同時(shí)具備較高的電壓效率與庫(kù)侖效率以實(shí)現(xiàn)良好的能量轉(zhuǎn)化效率和循環(huán)穩(wěn)定性，這就要求其隔膜具有優(yōu)秀的選擇性離子傳導(dǎo)能力（傳導(dǎo)質(zhì)子或硫酸根的同時(shí)抑制釩離子滲透）。全氟磺酸膜（如Nafion 系列）等陽(yáng)離子交換膜在提供良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力的同時(shí)，也為電池兩極釩離子的交叉滲透提供了傳輸通道，造成電池的庫(kù)侖效率、能量效率下降，循環(huán)穩(wěn)定性難以保證；陰離子交換膜本身帶有陽(yáng)離子基團(tuán)，對(duì)同樣帶有正電荷的釩離子具有排斥效應(yīng)（“道南效應(yīng)”），因此具有本征阻釩能力，同時(shí)也降低了高價(jià)釩離子對(duì)膜結(jié)構(gòu)的氧化降解，有利于膜的化學(xué)穩(wěn)定性。Zhang 等[36]設(shè)計(jì)制備了基于高取代度咪唑化聚砜的半互穿網(wǎng)絡(luò)AEM[圖9(a)]，在電流密度為80mA/cm2時(shí)，其庫(kù)侖效率高達(dá)99%，電池運(yùn)行近1000 次循環(huán)，沒(méi)有明顯的性能衰減。盡管如此，由于AEM 所傳導(dǎo)的硫酸根或硫酸氫根水合離子尺寸遠(yuǎn)大于水合質(zhì)子，再加之膜內(nèi)微相分離程度低，離子傳輸通道不夠通暢而表現(xiàn)出較低的離子傳導(dǎo)能力，這是AEM 應(yīng)用于VFB 的主要瓶頸問(wèn)題。2011 年，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李先鋒研究員等[37]創(chuàng)新性地將不含任何離子基團(tuán)的聚丙烯腈（PAN）納濾膜用于VFB，通過(guò)孔徑篩分原理實(shí)現(xiàn)了氫離子相對(duì)于釩離子的選擇性傳導(dǎo)；采用孔徑合適的PAN 納濾膜組裝的VFB 在電流密度為80mA/cm2時(shí)，達(dá)到了95%的庫(kù)侖效率與80%的電壓效率，與商業(yè)化的Nafion膜接近，從而證實(shí)了通過(guò)微孔篩分進(jìn)行選擇性離子傳導(dǎo)的可行性。在此基礎(chǔ)上，Li等[38]利用蒸汽誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化法制備出含海綿孔的吡啶化聚砜AEM[化學(xué)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9(b)]，位于海綿孔壁上的吡啶陽(yáng)離子可抑制釩離子的滲透，海綿孔本身則降低硫酸根、硫酸氫根離子在膜內(nèi)的傳導(dǎo)阻力；采用該膜的VFB 在電流密度為80mA/cm2時(shí)，庫(kù)侖效率與電壓效率分別達(dá)到97%與87%左右。He等[39-40]同樣利用相轉(zhuǎn)化法對(duì)季銨化聚砜材料進(jìn)行合理調(diào)控，制備出適用于VFB 的微孔型陰離子交換膜。

表1 不同AEM性能及自由體積或微孔數(shù)據(jù)

上述結(jié)果表明微孔型陰離子交換膜可以在保留良好阻釩效果的同時(shí)，提供更快的離子傳導(dǎo)能力。近期，本文作者課題組提出兩種新方法來(lái)制備微孔型AEM，即側(cè)鏈水解法[41]和環(huán)糊精模板法[42]。側(cè)鏈水解法原理如圖10(a)所示，即預(yù)先在聚合物主鏈上引入含有酯基的側(cè)鏈，成膜后通過(guò)強(qiáng)堿使酯基水解成羧酸并脫去部分側(cè)鏈[如圖9(c)所示]，從而在膜內(nèi)形成可控的微孔結(jié)構(gòu)（圖11）；經(jīng)過(guò)對(duì)脂基側(cè)鏈含量的優(yōu)化，最終制備的微孔膜孔徑大小約10～30nm，孔隙率為33%，于0.5mol/L H2SO4溶液中的面電導(dǎo)率為77mS/cm，液流電池的庫(kù)侖效率與電壓效率分別為97.3%與85%（80mA/cm2）。有機(jī)模板法原理如圖10(b)所示，即將β-環(huán)糊精引入低IEC（0.77mmol/g）的咪唑化聚砜膜[圖9(d)]內(nèi)作為模板，通過(guò)簡(jiǎn)便的水浸漬方式去除模板即可得到含微孔的陰離子交換隔膜[42]；當(dāng)膜內(nèi)β-環(huán)糊精的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，膜的孔徑大小約4～8nm，孔隙率為14%，于0.5mol/L H2SO4溶液中的面電導(dǎo)率為100mS/cm，液流電池的庫(kù)侖效率與電壓效率分別達(dá)到約97.5%與87.5%（80mA/cm2）。

4 結(jié)語(yǔ)

圖9 用于VFB的不同AEM化學(xué)結(jié)構(gòu)［36，38，41-42］

圖10 側(cè)鏈水解法和環(huán)糊精模板法制備微孔AEM的機(jī)理圖［41-42］

將AEM 用作燃料電池和VFB 的電解質(zhì)隔膜具有降低催化劑成本和抑制兩極反應(yīng)物滲透方面的顯著優(yōu)勢(shì)，然而目前AEM 的離子傳導(dǎo)能力和穩(wěn)定性仍無(wú)法滿足電池高功率、高效率、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，是制約AEM 在兩種電池中實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。為進(jìn)一步提高AEM的電導(dǎo)率，尤其是低IEC下的傳導(dǎo)率，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)展了大量的探索，近期的研究證實(shí)了自由體積和微孔結(jié)構(gòu)有利于降低AEM 的離子傳導(dǎo)阻力，實(shí)現(xiàn)低IEC 下的高電導(dǎo)率，進(jìn)而緩解電導(dǎo)率與穩(wěn)定性間的“trade off”效應(yīng)。本文綜述了本文作者課題組及其他研究者在這方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了特殊結(jié)構(gòu)單元如扭曲、彎曲、剛性基團(tuán)、大側(cè)基和梯形鏈結(jié)構(gòu)對(duì)自由體積的調(diào)變作用以及自由體積對(duì)膜電導(dǎo)率、穩(wěn)定性的影響；本文也介紹了微孔型AEM 的制備新策略，包括側(cè)鏈水解法和環(huán)糊精模板法，以及所得AEM 的VFB性能。

隨著電池對(duì)電解質(zhì)隔膜的性能要求不斷提高以及制膜技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)的AEM 將更加趨向于超薄化、低面阻、高強(qiáng)度及高穩(wěn)定性。自由體積和微孔調(diào)控策略在高性能膜制備方面將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。這是因?yàn)樽杂审w積和微孔的合理調(diào)控可降低膜電導(dǎo)性對(duì)IEC的依賴，進(jìn)而抑制膜的溶脹，減少氫氧根或高價(jià)釩離子對(duì)膜結(jié)構(gòu)的降解破壞。不過(guò)，自由體積和微孔調(diào)控還需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)的工作，主要是通過(guò)更加合理的膜主鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及更加精細(xì)的微孔結(jié)構(gòu)調(diào)變來(lái)實(shí)現(xiàn)離子傳導(dǎo)與機(jī)械強(qiáng)度、（兩極活性物質(zhì)）滲透之間的平衡。同時(shí)也要考慮自由體積與微孔結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題，因?yàn)槌x子基團(tuán)外，聚合物骨架與微孔結(jié)構(gòu)在強(qiáng)堿、強(qiáng)酸、過(guò)氧化物或釩離子的攻擊下均有可能遭到破壞；而從聚合物凝聚態(tài)演變的角度看，在長(zhǎng)時(shí)間的電池運(yùn)行過(guò)程中，分子鏈段的運(yùn)動(dòng)也可能會(huì)導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)的坍塌消失，進(jìn)而影響隔膜性能。因此，如何通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自由體積或微孔在納米尺度的精細(xì)調(diào)控，及如何克服“木桶效應(yīng)”，開(kāi)發(fā)出離子基團(tuán)、聚合物骨架與微孔三者穩(wěn)定性兼具的AEM是接下來(lái)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。