SCMs|高性能阴离子交换膜的制备及在全钒液流电池中的应用

离子选择性是全钒氧化还原液流电池(VRFBs)用膜材料的重要性能指标。近日，东北大学杨景帅副教授和丹麦技术大学David Aili高级研究员等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文，以主链中没有醚键的聚(亚芳基哌啶-哌啶)(PTP)为基体材料，通过其和碘甲烷、1-溴戊烷和(5-溴戊基)-三甲基溴化铵间的门秀金(Menshutkin)反应，使PTP中哌啶基团季铵化，合成了不同侧链接枝的聚(亚芳基-哌啶鎓盐)型阴离子交换膜(AEMs)。研究了AEMs的硫酸掺杂含量、溶胀性、钒离子渗透性、离子选择性、面电阻、机械性能、全钒液流电池性能和循环寿命。

图1 聚(亚芳基-哌啶鎓盐)型阴离子交换膜的合成方法。

同时提出了一种测量AEMs氢离子透过率的方法，结果表明，氢离子在AEMs中也能有效传导。长侧链季铵盐接枝的膜材料(PTP-QA)具有最高的H+透过率，同时具有较低的面电阻和良好的阻钒性能。PTP-QA膜的离子选择性(电导率与钒离子透过率的比值)是Nafion 115离子选择性的370倍。

由PTP-QA膜组装的VRFB，在80–160 mA cm⁻²电流密度下的库伦效率高于99%；在100 mA cm⁻²下的能量效率高达89.8% (Nafion 115组装的VRFB的能量效率为73.6%)；同时，该VRFB也表现出良好的循环稳定性和容量保持率。

研究表明聚(亚芳基-哌啶鎓盐)型AEMs在VRFB中具有潜在的应用价值。

文章信息

Che, X., Tang, W., Dong, J. et al. Anion exchange membranes based on long side-chain quaternary ammonium-functionalized poly(arylene piperidinium)s for vanadium redox flow batteries. Sci. China Mater. (2021). https://doi.org/10.1007/s40843-021-1786-0

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