Commercial perfluorosulfonic acid membranes for vanadium redox flow battery: effect of ion-exchange capacity and membrane internal structure

V rámci této studie je testována řada perfluorosulfonových membrán pro použití ve vanadových redoxních bateriích (VRFB): konkrétně membrány o konstantní tloušťce 50 μm s různou iontoměničovou kapacitou v rozmezí od 0,56 do 1,15 mol ekv. g-1. Pomocí UV / Vis spektroskopie by měřen difuzní tok vanadových iontů v různém oxidačním. Nejvyšší propustnost iontů vykazuje vanadový iont v oxidačním stavu 2+ a přispívá tak nejvíce k samovybíjení baterie. Mechanismus přetoku vanadových iontů je diskutován pro všechny oxidační stavy. Jednotlivé membrány jsou v baterii charakterizovány pomocí EIS, pomocí měření zátěžových křivek a nabíjecích - vybíjecích cyklů při různých proudových hustotách od 50 do 200 mA cm-2. Obecně platí, že při nižších proudových hustotách propustnost iontů vanadu snižuje účinnost baterie a díky tomu jsou membrány s nižší ionto-výměnnou kapacitou vhodnější. Současně při vyšší proudové hustotě je účinnost baterie snížena odporem membrány. Ionto-výměnná kapacita však není jedinou vlastností membrány, která ovlivňuje výkonnost VRFB. Studie membrán pomocí SAXS odhalila vliv molekulární struktury polymeru na velikost hydrofilních domén, které ovlivňují transportní vlastnosti membrány.A series of perfluorosulfonic membranes is screened for application in vanadium redox flow batteries (VRFB): membranes of constant thickness 50 μm with different ion-exchange capacities ranging from 0.56 to 1.15 mol eq. g−1 . Diffusion flux of each vanadium ion occurring in VRFB electrolytes through each examined membrane is measured by UV/Vis spectroscopy. Permeation of V2+ ions contributes most to the selfdischarge losses and the mechanism of vanadium ions permeation is discussed for all oxidation states. The membranes are characterized in the single-cell by electrochemical impedance spectroscopy, load curve measurements with linearly increasing current and charge-discharge cycles at various current densities ranging from 50 to 200 mA cm−2 . Generally, at lower current densities the permeation of vanadium ions decreases the battery efficiency and thus lower ion-exchange capacity membranes are more suitable. Concurrently, at higher current densities the battery efficiency is decreased by the membrane resistance and thus higher ion-exchange capacity membranes are optimal. However, membrane ion-exchange capacity is not the only characteristic that affects the VRFB performance. Small-angle X-ray scattering of membranes revealed the effect of polymer molecular architecture on the size of hydrophilic domains which affects the membrane transport properties