作为一种大规模储能装置，全钒氧化还原液流电池备受关注。经过数十年的发展，钒电池产业已经步入商业化阶段，主要用于太阳能、风能等可再生能源的储存，在世界各地已经建设了多个示范项目。钒电池的运行离不开高性能的离子交换膜。目前普遍使用的Nafion系列膜存在价格昂贵、钒离子渗透率高、水渗透不平衡等问题，现阶段还没有一种隔膜能够完全满足钒电池的使用需求。本文围绕上述问题，根据离子交换膜传质机理、Donnan效应以及孔径筛分原则，设计并制备了一系列高性能离子交换膜并用于全钒液流电池。主要内容如下:　　1、磺化聚酰亚胺(SPI)具有丰富的单体结构和良好的成膜性，但其质子电导率和水解稳定性有待提高。本文中使用4，4-联苯醚二酐，4，4-二氨基-3，3-二甲基联苯基甲烷，2，4-二氨基苯磺酸钠合成带拐角结构的聚合物(OMS)。分子中的磺酸基团处在一个拐角结构中，该结构的存在能够创造出更多的自由体积，有利于提高质子传导能力。将OMS与聚乙烯醇(PVA)共混并用甲醛交联得到有机-有机共混膜，经过甲醛交联后PVA有效改善了隔膜的水解稳定性。研究了OMS磺化程度对隔膜性能的影响。与Nafion117(N117)膜相比，性能最优的共混膜其钒离子渗透率只有13.52×10-9 cm2 s-1(N117，30.98×10-9 cm2 s-1)，质子电导率69 mS cm-1(N117，79 mS cm-1)，隔膜的质子选择性达到N117膜的2倍。隔膜在去离子水中浸泡21天后拉伸强度20MPa，60℃水煮500小时以上隔膜没有明显变化。组装的电池电流效率(CE)为97.3％，同时电压效率(VE)达到了83.8％，能量效率(EE)81.51％，远高于N117(76.87％)。电池自放电时间达到了68h，是N117膜的1.7倍。　　2、磺化聚醚醚酮(SPEEK)具有质子电导率高，稳定性好的优点，但是对钒离子的阻隔能力不足。本研究对商业化的聚醚酰亚胺用氯甲基甲醚、三甲胺进行季铵化改性，得到季铵化聚醚酰亚胺(QAPEI)。将SPEEK与QAPEI通过溶液共混得到两性离子交换膜。其具有以下优点:第一、QAPEI分子主链与SPEEK的分子主链具有不相容性，所以隔膜会出现明显的相分离现象，这有利于提高隔膜质子传导能力。第二、季铵基团带有正电荷，根据Donnan排斥效应，带正电基团可以有效提升隔膜的阻钒能力。第三、季铵基团与磺酸基团存在离子相互作用，进一步限制了钒离子的渗透。详细研究了QAPEI含量以及QAPEI季铵化程度对隔膜性能的影响。研究发现，随着QAPEI含量的提高，隔膜的相分离越发明显，这有利于提高隔膜的质子传导能力。另外，季铵基团能够有效地限制钒离子渗透，但是由于两种分子的主链不相容性，单纯提高QAPEI含量会损害膜性能。当QAPEI含量超过15wt.％时，过量的添加导致隔膜的阻钒性能大幅降低。为了增加隔膜中季铵基团的含量，需要提高QAPEI的季铵化程度。研究发现，随着季铵化程度的提高，季铵基团和磺酸基团的相互作用增强，使得两种分子相容性提高。当QAPEI季铵化程度为25％，同时质量分数为15wt.％的两性膜性能最优。在电流密度50 mA/cm2下，电池EE达90.49％(N115，84.14％);单电池充放电100循环后，容量损失仅5％(N115，损失78％);电池自放电时间长达125h(N115，22h)。　　3、有机金属框架结构(MOFs)是一种新型的多孔材料，近年来在诸多领域有重要的应用。其中，UiO-66-X是典型的Zr基MOFs，具有优异的化学稳定性和合适的孔结构。针对SPEEK阻钒能力不足的缺点，将SPEEK与UiO-66-X共混得到有机-无机杂化膜，利用孔径筛分原理可以有效提升隔膜的阻钒能力。研究了带有氨基官能团UiO-66-NH2的含量对杂化膜性能的影响。结果发现，UiO-66-NH2的含量在0-0.5wt.％时，会提高电池的CE值。当含量超过0.5wt.％，由于UiO-66-NH2的分散问题会导致电池CE值大幅降低。固定UiO-66-X含量为0.5wt.％，研究了不同官能团的UiO-66-X对共混膜性能的影响。结果表明，带有羟基的UiO-66-OH孔径尺寸分别为0.55nm、0.8nm和1.15nm，所制备的隔膜能够兼顾传导质子和阻隔钒离子的作用。当电流密度为50 mA/cm2时，EE达到91.43％(N115，84.14％)，自放电时间长达200h以上，100循环容量存留率高达97.6％。　　4、聚苯并咪唑(PBI)具有非常好的化学稳定性，经过酸掺杂后可以具备不错的质子传导能力。另外，在酸性环境中咪唑基团会质子化带有正电荷，可以有效阻止钒离子渗透。本文制备了两种不同结构的PBI隔膜，详细讨论了聚合物分子结构以及隔膜厚度对电池性能的影响。测试发现，隔膜厚度大于40μm时，电池VE值会随着厚度增加呈现阶梯状下降的趋势。而隔膜厚度低于40μm时，电池VE值不会因为隔膜变薄而增加。这可以认为是两种质子传导机理转换造成的。为了进一步提升隔膜的质子传导能力，利用PBI分子中N-H键的反应活性，使用丙烷磺内脂和丁烷磺内脂在PBI分子上引入烷基磺酸链。研究了烷基磺酸链长度对隔膜性能的影响。经过磺化改性的PBI隔膜其质子传导能力有了一定提高，尤其是丁烷磺内酯改性的聚合物隔膜性能最优，电流密度50 mA/cm2时，EE=90.68％(N115，EE=86.32％)。经过300h自放电，电池电压没有明显降低。经过400次充放电循环，电池效率、容量都保持稳定。