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Porous polybenzimidazole membranes with high ion selectivity for the vanadium redox flow battery

流动电池 氧化还原 化学工程 渗透 多孔性 材料科学 法拉第效率 化学 电极 复合材料 电化学 冶金 电解质 物理化学 工程类 生物化学
作者
Xuefu Che,Huan Zhao,Xiaorui Ren,Denghua Zhang,Hao Wei,Jianguo Liu,Xia Zhang,Jingshuai Yang
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:611: 118359-118359 被引量:77
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2020.118359
摘要

Development of high ion-selective polymer membranes is of great importance for vanadium redox flow batteries (VRFBs). In this work, porous polybenzimidazole (PBI) membranes are successfully prepared for improved efficiencies and stability in VRFB applications. The porous structure is constructed via a hard templating method using monodispersed SiO2 solid spheres and 3 M NaOH as template and etching solution, respectively. The influence of the adding content of SiO2 on the microstructure of the membrane is illustrated. The properties of porous membranes, including acid doping, swellings, area resistance, mechanical properties, vanadium ion permeation, and single cell and cycling performance, are investigated systematically. Results show that asymmetric porous PBI membranes exhibit increased sulfuric acid (SA) uptake (>35 wt%), remarkably low area resistance (<0.58 Ω cm2), ultralow vanadium ion permeability (<10-9 cm2 min-1) and superior mechanical strength (>20 MPa) simultaneously. At high current densities (80–200 mA cm-2), the cell with the porous PBI-40%SiO2 membrane possesses superior coulombic efficiencies (CE: 99.5–100%) and energy efficiencies (EE: 87.9–71.5%), together with excellent cycling stability at 120 mA cm-2 in the vanadium flow battery. Accordingly, this work not only provides a kind of advanced membranes for the VRFB, but also offers a facile and effective method to design, optimize and fabricate membranes incorporating the features according to needs.
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