Development of efficient aqueous organic redox flow batteries using ion-sieving sulfonated polymer membranes

氧化还原 化学工程 水溶液 离子 材料科学 聚合物 流量(数学) 化学 纳米技术 无机化学 有机化学 生物化学 工程类 几何学 数学
作者
Chunchun Ye,Anqi Wang,Charlotte Breakwell,Rui Tan,C. Grazia Bezzu,Elwin Hunter‐Sellars,Daryl R. Williams,Nigel P. Brandon,Peter A. A. Klusener,Anthony Kucernak,Kim E. Jelfs,Neil B. McKeown,Qilei Song
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:132
标识
DOI:10.1038/s41467-022-30943-y
摘要

Redox flow batteries using aqueous organic-based electrolytes are promising candidates for developing cost-effective grid-scale energy storage devices. However, a significant drawback of these batteries is the cross-mixing of active species through the membrane, which causes battery performance degradation. To overcome this issue, here we report size-selective ion-exchange membranes prepared by sulfonation of a spirobifluorene-based microporous polymer and demonstrate their efficient ion sieving functions in flow batteries. The spirobifluorene unit allows control over the degree of sulfonation to optimize the transport of cations, whilst the microporous structure inhibits the crossover of organic molecules via molecular sieving. Furthermore, the enhanced membrane selectivity mitigates the crossover-induced capacity decay whilst maintaining good ionic conductivity for aqueous electrolyte solution at pH 9, where the redox-active organic molecules show long-term stability. We also prove the boosting effect of the membranes on the energy efficiency and peak power density of the aqueous redox flow battery, which shows stable operation for about 120 h (i.e., 2100 charge-discharge cycles at 100 mA cm-2) in a laboratory-scale cell.
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