15.11.2021 - Chinese Academy of Sciences

Neuartige Ionenaustauschmembran verbessert Leistung von Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Forscher haben eine Hybridmembran entwickelt, die auf zweidimensionalen Nanohybridmaterialien basiert

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) ist ein vielversprechendes nachhaltiges Energiespeichersystem. In einer VRFB-Zelle wird eine Ionenaustauschmembran (IEM) verwendet, um die Bildung eines Kathoden-Anoden-Kurzschlusses zu verhindern und Elektrolytübergänge und Nebenreaktionen zu vermeiden, während sie gleichzeitig die Protonenleitung ermöglicht, um die Zelle elektrisch neutral zu halten.

Bis heute ist die Membran aus perfluorierter Sulfonsäure (PFSA) die am häufigsten verwendete IEM für VRFBs. Die starke Permeation von Vanadium-Ionen durch die PFSA-Membran verkürzt jedoch die Lebensdauer der Zelle und führt zu einer unbefriedigenden Zellleistung.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. LI Huiyun, Prof. YU Shuhui und Dr. YE Jiaye vom Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat eine Hybridmembran auf der Grundlage zweidimensionaler Nanohybridmaterialien entwickelt, die die Leistung von VRFBs verbessern kann.

In der neu entwickelten Membran wurden Nanoblätter aus Graphenoxid (GO) in die PFSA-Matrix eingebettet, um als "Barriere" die Permeation von Vanadiumionen zu verringern. Die Wolframtrioxid (WO3)-Nanopartikel wurden in-situ auf der Oberfläche der GO-Nanoblätter gezüchtet, um den elektrostatischen Effekt zu überwinden und die Hydrophilie und Dispergierbarkeit der GO-Nanoblätter zu verbessern.

"Diese hydrophilen Wolframtrioxid-Nanopartikel auf der Oberfläche der GO-Nanoblätter dienen als protonenaktive Stellen, die den Protonentransport erleichtern", so Dr. YE Jiaye, Erstautor der Studie.

Die dünne Schicht aus porösem Polytetrafluorethylen (PTFE) wurde in der Mitte der Membran als verstärkte Schicht eingefügt, um die Stabilität der Membran zu erhöhen.

Durch den synergetischen Effekt von WO3@GO und der PTFE-Schicht zeigte die Hybridmembran eine hohe Ionenselektivität. Die VRFB-Einzelzelle mit der optimierten Hybridmembran lieferte im Vergleich zur kommerziellen Nafion-Membran einen höheren coulombschen Wirkungsgrad und eine höhere Energieeffizienz.

In ihrer früheren Studie, die im Chemical Engineering Journal veröffentlicht wurde, entwickelte das Forscherteam eine Kompositmembran mit Sandwich-Struktur auf der Grundlage von eindimensionalen funktionalisierten Siliziumkarbid-Nanodrähten.

Die Forscher brachten funktionalisierte Siliziumkarbid-Nanodrähte in eine perfluorierte Sulfonsäure (PFSA)-Matrix ein und schichteten eine ultradünne poröse Polytetrafluorethylenschicht dazwischen.

Diese Hybridmembran behält nicht nur eine gute Protonenleitfähigkeit bei, sondern verringert auch wirksam das Eindringen von Vanadiumionen und verbessert so die Leistung der VRFB-Zelle.

Diese Studien liefern eine Vorbereitungsstrategie für die Entwicklung von Hochleistungs-IEMs für VRFBs auf der Grundlage ein- und zweidimensionaler modifizierter Materialien, die auf andere Bereiche wie Wasseraufbereitung und Brennstoffzellen ausgeweitet werden können.

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