Chinese onderzoekers onder leiding van profs. Li Xianfeng en Zhang Huamin van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben onlangs een ultradun iongeleidend membraan ontwikkeld met een hoge selectiviteit en geleidbaarheid dat het vermogen van stroombatterijen kan vergroten. De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Membranen zijn belangrijke componenten van flowbatterijen. Ze scheiden reactieve materialen in de negatieve en positieve kamers terwijl ze tegelijkertijd de overdracht van ionen over het membraan mogelijk maken. De efficiëntie van flowbatterijen hangt sterk af van de ionenselectiviteit en geleidbaarheid van deze membranen.

Op basis van hun eerdere onderzoek ( omgeving. Wetenschap. , 2011, 4, 1676), Li's groep ontdekte dat de belangrijkste uitdaging voor ionengeleidende membranen de "trade-off" is tussen ionselectiviteit en geleidbaarheid. Poreuze membranen die de traditionele fase-inversiemethode gebruikten, hadden kronkelige en slecht verbonden poriën, wat resulteert in een lage ionengeleiding.

In tegenstelling tot, composietmembranen hebben afzonderlijk afgestemde selectieve lagen die op substraten worden ondersteund. "Een composietmembraan met een zeer dunne selectieve laag en een sterk geleidend substraat overwint hopelijk de wisselwerking tussen ionenselectiviteit en geleidbaarheid en verbetert de prestaties van de stroombatterij verder, " zei prof. Li.

Hiertoe, de onderzoekers gebruikten grensvlakpolymerisatie om een ​​composietmembraan met dunne film te fabriceren. Dit membraan heeft een ultradunne cross-linked polyamide selectieve laag en een sterk geleidende steunlaag. De ultradunne selectieve laag is slechts 180 nm dik. Het biedt een zeer korte ionenoverdrachtsroute en heeft een zeer lage oppervlakteweerstand.

Het verknoopte polyamide heeft een vrij volume tussen de grootte van hydronium- en gehydrateerde vanadiumionen. vanadium ionen, vanwege hun grootte, zijn zeer goed bestand tegen crossover, waardoor het membraan een hoge ionselectiviteit krijgt.

Flow-batterijen met een dunne-film composietmembraan zouden kunnen werken bij een hogere stroomdichtheid. Dit zou het gebruik van een kleinere batterijstapel mogelijk maken om meer vermogen te genereren en de kosten van batterijstapels te verlagen.

Het protonoverdrachtsmechanisme in polyamideselectieve lagen kan verder worden begrepen door gebruik te maken van het Grotthuss-mechanisme om theoretische berekeningen te maken van protonenoverdrachten langs waterketens en carboxylgroepen. De resultaten bieden nieuwe ideeën voor het ontwerpen van geavanceerde ion-selectieve membranen die ook kunnen worden toegepast op flowbatterijen.