Ultradunne polymeermembranen maken snel, selectief ionentransport voor energieopslag mogelijk

Polymere membranen worden op grote schaal gebruikt in scheidingstechnologieën vanwege hun lage kosten en gemakkelijk schaalbare fabricage. In tegenstelling tot anorganische nanoporeuze materialen zoals metaal-organische kaders en covalente organische kaders, die periodieke en geordende kanalen bevatten, hebben polymere membranen geproduceerd via traditionele methoden-zoals fasescheiding-meestal onregelmatige en ongeoorloofde poriënstructuren.

Deze structurele beperking maakt het moeilijk om ionen of moleculen van vergelijkbare maten nauwkeurig te scheiden, wat leidt tot een afweging tussen selectiviteit en permeabiliteit.

In een studie gepubliceerd in Nature Chemical Engineeringeen onderzoeksteam onder leiding van Prof. Li Xianfeng van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) ontwikkelde een nieuwe interfaciale cross-koppelingsstrategie voor polymeer om ultradunne polymere membranen met nanoschaalscheidingslagen te fabriceren.

De gefabriceerde 3-μm dikke polymere membranen werden aangebracht in vanadiumstroombatterijen, waardoor werking was bij een hoge stroomdichtheid van 300 mA/cm².

“We hebben een nieuwe en eenvoudige strategie ontwikkeld om de membraandikte te verminderen, wat de weerstand van ionentransport aanzienlijk verlaagt”, aldus prof. Li.

Met behulp van deze strategie construeerden de onderzoekers een verknoopte scheidingslaag op nanoschaal bovenop een polymere ondersteunende laag. Door de stabiele, covalent verknoopte structuur kon de totale membraandikte worden gereduceerd tot slechts 3 urn. Door de verknopingstijd en soorten agenten te variëren, konden de onderzoekers de dikte en morfologie van de scheidingslaag afstemmen.

De holtes tussen de polymeerketens varieerden van 1,8 tot 5,4 Å in grootte-het vormgeven van een quasi-geordende reticulaire structuur die nauwkeurige, angstrom-schaal ionen maakt.

Deze structuur bereikt tegelijkertijd hoge ionenselectiviteit en lage weerstand, waardoor de traditionele permeabiliteit en selectiviteitsafweging effectief wordt overwonnen. De hoge grootte van het membraan en de weerstand met lage transport resulteerden in een vanadiumstroombatterij met een energie-efficiëntie van 82,38% bij 300 mA/cm².

“Onze studie ging over langdurige uitdagingen in het ontwerpen van polymere membraan en biedt aanzienlijke vooruitgang voor zowel membraangebaseerde scheiding als technologieën voor energieopslag”, aldus prof. Li.