Nieuw ionenuitwisselingsmembraan verbetert de prestaties van vanadium-redoxstroombatterijen

De structuur en morfologie van WO₃@GO nanohybride. Krediet: SIAT

De vanadium redox flow batterij (VRFB) is een veelbelovend duurzaam energieopslagsysteem. In een VRFB-cel wordt een ionenuitwisselingsmembraan (IEM) gebruikt om de vorming van een kathode/anode-kortsluiting te voorkomen en elektrolytovergang en nevenreacties te voorkomen, terwijl protonengeleiding de cel elektrisch neutraal houdt.

Tot op heden is het membraan van geperfluoreerd sulfonzuur (PFSA) de meest toegepaste IEM voor VRFB’s. Ernstige permeatie van vanadiumionen van het PFSA-membraan zal echter de levensduur van de cel verkorten en onbevredigende celprestaties veroorzaken.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Li Huiyun, Prof. Yu Shuhui en Dr. Ye Jiaye van het Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft een hybride membraan ontwikkeld op basis van tweedimensionale nanohybride materialen, die de prestaties van VRFB’s verbeteren.

De studie is gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen op 9 november

In het nieuw ontwikkelde membraan werden grafeenoxide (GO) nanosheets ingebed in de PFSA-matrix om te fungeren als een “barrière” om de permeatie van vanadiumionen te verminderen. Het wolfraamtrioxide (WO₃) nanodeeltjes werden in-situ gekweekt op het oppervlak van de GO-nanobladen om het elektrostatische effect te overwinnen en de hydrofiliciteit en dispergeerbaarheid van de GO-nanobladen te verbeteren.

“Deze hydrofiele wolfraamtrioxide-nanodeeltjes op GO-nanobladoppervlakken dienen als proton-actieve plaatsen om het transport van protonen te vergemakkelijken”, zegt Dr. Ye Jiaye, de eerste auteur van het onderzoek.

De dunne laag van poreus polytetrafluorethyleen (PTFE) werd in het midden van het membraan gesandwiched als een versterkte laag die de membraanstabiliteit verbeterde.

Onder het synergetische effect van WO₃@GO en de PTFE-laag, het hybride membraan vertoonde een hoge ionselectiviteit. De VRFB-enkele cel met het geoptimaliseerde hybride membraan leverde een hogere Coulomb-efficiëntie en energie-efficiëntie in vergelijking met die van het commerciële Nafion-membraan.

in hun vorige studie gepubliceerd in Tijdschrift voor chemische technologie, dit onderzoeksteam ontwikkelde een composietmembraan met sandwichstructuur op basis van eendimensionale gefunctionaliseerde siliciumcarbide-nanodraden.

De onderzoekers introduceerden gefunctionaliseerde siliciumcarbide-nanodraden in een geperfluoreerde sulfonzuurmatrix (PFSA) en plaatsten daar een ultradunne poreuze polytetrafluorethyleenlaag.

Dit hybride membraan handhaaft niet alleen een goede protongeleiding, maar vermindert ook effectief de penetratie van vanadiumionen, waardoor de prestaties van de VRFB-cel worden verbeterd.

Deze studies bieden een voorbereidingsstrategie voor het ontwerpen van hoogwaardige IEM’s voor VRFB’s op basis van eendimensionale en tweedimensionale gemodificeerde materialen, die kan worden uitgebreid naar andere gebieden, waaronder waterbehandeling en brandstofcellen.