Kinesiska forskare under ledning av Profs. Li Xianfeng och Zhang Huamin från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid den kinesiska vetenskapsakademin utvecklade nyligen ett ultratunt jonledande membran med hög selektivitet och konduktivitet som kan öka kraften hos flödesbatterier. Studien publicerades i Naturkommunikation .

Membran är nyckelkomponenter i flödesbatterier. De separerar reaktiva material i de negativa och positiva kamrarna samtidigt som de tillåter överföring av joner över membranet på samma gång. Effektiviteten hos flödesbatterier beror i hög grad på jonselektiviteten och konduktiviteten hos dessa membran.

Baserat på deras tidigare studie ( Environ. Sci. , 2011, 4, 1676), Lis grupp fann att den viktigaste utmaningen för jonledande membran är "avvägningen" mellan jonselektivitet och konduktivitet. Porösa membran som använde den traditionella fasinversionsmetoden för konstruktion hade slingrande och dåligt anslutna porer, vilket resulterar i låg jonledningsförmåga.

I kontrast, kompositmembran har separat avstämda selektiva skikt uppburna på substrat. "Ett kompositmembran med ett mycket tunt selektivt lager och ett mycket ledande substrat övervinner förhoppningsvis kompromissen mellan jonselektivitet och konduktivitet och förbättrar flödesbatteriets prestanda ytterligare, " sa prof. Li.

För detta ändamål, forskarna använde gränssnittspolymerisation för att tillverka ett tunnfilmskompositmembran. Detta membran har ett ultratunt tvärbundet polyamidselektivt skikt och ett mycket ledande stödskikt. Det ultratunna selektiva lagret är endast 180 nm tjockt. Den erbjuder en mycket kort jonöverföringsväg och har mycket lågt ytmotstånd.

Den tvärbundna polyamiden har fri volym mellan storleken på hydronium och hydratiserade vanadinjoner. vanadinjoner, på grund av deras storlek, är mycket motståndskraftiga mot crossover, vilket ger membranet hög jonselektivitet.

Flödesbatterier med ett tunnfilmskompositmembran skulle kunna fungera vid högre strömtäthet. Detta skulle tillåta användningen av en mindre batteristack för att generera högre effekt och minska kostnaden för batteristackarna.

Protonöverföringsmekanismen i polyamidselektiva skikt kan ytterligare förstås genom att använda Grotthuss-mekanismen för att göra teoretiska beräkningar av protonöverföringar längs vattenkedjor och karboxylgrupper. Resultaten ger nya idéer för att designa avancerade jonselektiva membran som även kan appliceras på flödesbatterier.