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Active material crossover suppression with bi-ionic transportability by an amphoteric membrane for Zinc–Bromine redox flow battery

Nafion公司 流动电池 化学 无机化学 离子交换 氧化还原 离子键合 化学工程 离子电导率 离子 电化学 电极 有机化学 电解质 物理化学 工程类 生物化学
作者
Dabin Han,Sangaraju Shanmugam
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:540: 231637-231637 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.231637
摘要

Zinc-bromine redox flow batteries (Zn/Br2 RFBs) are gaining attention as a next-generation energy storage system with the advantages of a cost-effective redox couple material price, high output, and high energy density. However, bromine (Br2) crossover through a commercial porous membrane causes self-discharge to lower the capacity retention. Nafion, a commercial ion exchange membrane, can lower the crossover but has low voltage efficiency due to high membrane resistance. To address this trade-off, the amphoteric functionalized silica (Am-SiO2) is introduced into the Nafion membrane (Nafion/Am-SiO2). It suppresses the crossover of active materials such as Br2 and polybromide (Brn−) and possesses high ionic conductivity due to the quaternary ammonium and sulfonic groups on the Am-SiO2 surface. In addition, increasing the water content in the membrane prevents the expansion of the water cluster size, which could help balance bi-ionic transport. As a result, the composite membrane showed 83.3 and 19.0 times higher ion selectivity than the commercial porous membrane (SF600) and ion-exchange membrane (NRE-212). Compared to SF600 and NRE-212, the energy efficiency of Nafion/Am-SiO2 was improved by 4.2 and 6.4%, respectively. Balancing anion and cation transport can be successfully applied in Zn/Br2 RFBs by introducing an amphoteric group into an ion-exchange membrane.
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