Optimizing the performance of meta-polybenzimidazole membranes in vanadium redox flow batteries by adding an alkaline pre-swelling step

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作者
Chanho Noh,Dmytro Serhiichuk,Malikah Najibah,Yongchai Kwon,Dirk Henkensmeier
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:407: 126574-126574 被引量:72
标识
DOI:10.1016/j.cej.2020.126574
摘要

Abstract Polybenzimidazole (PBI) is a promising material for vanadium redox flow battery (VRFB) membranes. It shows a low permeability for vanadium ions, a conductivity in the range of 5 mS cm−1 in contact with 2 M sulfuric acid, and resists degradation by VO2+. Recent literature showed that the conductivity of PBI can be increased to 18 mS cm−1 by pre-swelling the membrane with phosphoric acid (PA), and up to 590 mS cm−1 by casting a sulfonated para-PBI membrane from polyphosphoric acid before immersion in sulfuric acid. However, these membranes show an increased permeability towards VO2+ ions, and thus reduced coulomb efficiency in the VRFB. Here we investigate pre-swelling in 4 M alkaline solution. It increases the conductivity in 2 M sulfuric acid to 56 (potassium hydroxide) and 12 mS cm−1 (sodium hydroxide). In 3 M sulfuric acid, the NaOH swollen membrane (4N3S) shows 14 mS cm−1, corresponding to an area resistance of 69 mΩ cm2 for a 10 µm thick membrane, lower than that of Nafion 115 (192 mΩ cm2) and even Nafion 212 (89 mΩ cm2). The selectivity (conductivity/permeability) is 9·1014 S s m−3, 7, 30 and 1000 times higher than for standard PBI, PA and polyphosphoric acid pre-swollen membranes, respectively. A VRFB with a 5 µm thick 4N3S membrane showed energy efficiencies of 91.3% at 80 mA cm−2 and 95.4% at 40 mA cm−2.
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