Durchbruch bei ionenleitenden Kompositmembranen geschafft

09.01.2020 - China

Chinesische Forscher unter der Leitung von Profs. LI Xianfeng und ZHANG Huamin vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben kürzlich eine ultradünne ionenleitende Membran mit hoher Selektivität und Leitfähigkeit entwickelt, die die Leistung von Flow-Batterien steigern kann.

Membranen sind Schlüsselkomponenten von Durchflussbatterien. Sie trennen reaktive Materialien in der Negativ- und Positivkammer und ermöglichen gleichzeitig den Ionentransfer über die Membran. Die Effizienz von Durchflussbatterien hängt stark von der Ionenselektivität und Leitfähigkeit dieser Membranen ab.

Basierend auf ihrer vorherigen Studie (Environ.Sci., 2011, 4, 1676) fand die Gruppe von LI heraus, dass die zentrale Herausforderung für ionenleitende Membranen der "trade-off" zwischen Ionenselektivität und Leitfähigkeit ist. Poröse Membranen, die mit der traditionellen Phaseninversionsmethode konstruiert wurden, hatten gewundene und schlecht verbundene Poren, was zu einer niedrigen Ionenleitfähigkeit führte.

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Im Gegensatz dazu besitzen Kompositmembranen separat abgestimmte selektive Schichten, die auf Substraten getragen werden. "Eine Kompositmembran mit einer sehr dünnen selektiven Schicht und einem hochleitfähigen Substrat überwindet hoffentlich den Kompromiss zwischen Ionenselektivität und Leitfähigkeit und verbessert die Leistung der Durchflussbatterie weiter", sagt Prof. LI.

Zu diesem Zweck nutzten die Forscher die Grenzflächenpolymerisation zur Herstellung einer Dünnschicht-Verbundmembran. Diese Membran hat eine ultradünne Selektivschicht aus vernetztem Polyamid und eine hochleitfähige Trägerschicht. Die ultradünne selektive Schicht ist nur 180 nm dick. Es bietet einen sehr kurzen Ionentransferweg und hat einen sehr geringen Flächenwiderstand.

Das vernetzte Polyamid hat ein freies Volumen zwischen der Größe von Hydronium- und hydratisierten Vanadium-Ionen. Vanadium-Ionen sind aufgrund ihrer Größe sehr resistent gegen Crossover und verleihen der Membran eine hohe Ionenselektivität.

Durchflussbatterien mit einer Dünnschicht-Verbundmembran könnten mit höherer Stromdichte arbeiten. Dies würde die Verwendung eines kleineren Batteriestapels ermöglichen, um eine höhere Leistung zu erzeugen und die Kosten für Batteriestapel zu reduzieren.

Der Protonentransfermechanismus in polyamidselektiven Schichten kann weiter verstanden werden, indem der Grotthuss-Mechanismus genutzt wird, um theoretische Berechnungen von Protonentransfers entlang von Wasserketten und Carboxylgruppen durchzuführen. Die Ergebnisse liefern neue Ideen für das Design fortschrittlicher ionenselektiver Membranen, die auch auf Durchflussbatterien angewendet werden können.

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Originalveröffentlichung

Qing Dai et al.; "Thin-film composite membrane breaking the trade-off between conductivity and selectivity for a flow battery"; Nature Communications; 2020

https://www.chemie.de/news/1164337/durchbruch-bei-ionenleitenden-kompositmembranen-geschafft.html

Originalveröffentlichung

Qing Dai et al.; "Thin-film composite membrane breaking the trade-off between conductivity and selectivity for a flow battery"; Nature Communications; 2020

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