A Novel Sulfonated Polyimide Composite Membrane Containing a Sulfonated Porous Material for All-Vanadium Redox Flow Batteries

材料科学 聚酰亚胺 多孔性 氧化还原 复合数 复合材料 化学工程 图层(电子) 冶金 遗传学 生物 工程类
作者
Xuesong Li,Gang Wang,Shuwen Zhang,Shiguo Wei,Yan Yu,Bing Wang,Yangtian Jing,Ji‐Jun Chen,Jie Zhang,Yufeng Zhou,Jinwei Chen,Ruilin Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (40): 54529-54538 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsami.4c09622
摘要

To improve the battery efficiency and cycling stability of sulfonated polyimide (SPI), a polyphosphazene with built-in -SO3H moieties (PP-SO3H), which is a porous covalent organic framework (COF) material, is facilely synthesized by the polymeric combination of hexachlorocyclotriphosphazene (HCCP) and p-diaminobenzenesulfonic acid. Due to its tunable pore size and flexible molecular design, the COF material can address the trade-off between the conductivity and the ion permeability of ion exchange membranes well, thereby improving the ion selectivity of membranes. The experimental results show that the SPI/PP-SO3H composite membrane has an excellent conductivity (up to 114.8 mS cm-1); the ion selectivity of the SPI/2% PP-SO3H membrane is 11.69 × 104 S min cm-3, which is 2.18 times higher than that of the SPI base membrane. PP-SO3H also improves the SPI membrane's mechanical strength, and the effect of PP-SO3H on SPI intermolecular interactions is analyzed by surface electrostatic potential (ESP) theoretical calculations. The Coulombic efficiency (CE) of the SPI/2% PP-SO3H membrane is 98.92%, the energy efficiency (EE) is 84.1% at a current density of 100 mA cm-2, and the self-discharge time of the SPI/2% PP-SO3H membrane is 3.5 times compared with the SPI base membrane. To measure the cycling stability of the composite membrane, the SPI/2% PP-SO3H membrane is cycled in the VRFB for more than 400 cycles, which is more stable than that of the SPI base membrane. These results show that SPI/2% PP-SO3H composite membranes are viable for VRFB applications.
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