Durchbruch bei ionenleitenden Kompositmembranen

Chinesische Wissenschaftler erreichen Leistungssteigerung von Flow-Batterien

Forscher unter der Leitung der Professoren Xianfeng Li und Huamin Zhang  vom Institut für Chemische Physik (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Dalian haben kürzlich eine ultradünne ionenleitende Membran mit hoher Selektivität und Leitfähigkeit entwickelt, die die Leistung von Flow-Batterien steigern kann. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.

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

Basierend auf ihrer früheren 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.

Im Gegensatz dazu besitzen Kompositmembranen separat abgestimmte selektive Schichten, die auf Substrate aufgebracht sind. “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 haben die Forscher die Grenzflächenpolymerisation genutzt, um eine Dünnschicht-Verbundmembran herzustellen. Diese Membran hat eine ultradünne Selektivschicht aus vernetztem Polyamid und eine hochleitfähige Trägerschicht. Die ultradünne selektive Schicht ist nur 180 nm dick. Sie bietet einen sehr kurzen Ionentransferpfad 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 bei höherer Stromdichte arbeiten. Dies würde die Verwendung eines kleineren Batteriestapels ermöglichen, um eine höhere Leistung zu erzeugen und die Kosten für die Batteriestapel zu reduzieren.

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

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