Anion exchange membranes with high power density and energy efficiency for aqueous organic redox flow batteries

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作者
Misgina Tilahun Tsehaye,Xian Yang,Tobias Janoschka,Martin D. Hager,Ulrich S. Schubert,Émilie Planès,Fannie Alloin,Cristina Iojoiu
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier BV]
卷期号:438: 141565-141565 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2022.141565
摘要

Membrane development in organic redox flow batteries (ORFBs) is of significant importance. Herein, we designed a series of anion exchange membranes made from poly( p -phenylene oxide) (PPO) with different degrees of functionalization, cationic moieties and crosslinking degrees. We tested them in a N,N,N -2,2,6,6-heptamethylpiperidinyl oxy-4-ammonium chloride/1,1′-dimethyl-4,4′-bipyridinium dichloride (TMA-TEMPO/MV) based ORFB single cell to investigate the structure-property-performance relationship. The common problem of active species crossover is solved by controlling the membrane water uptake below 70 wt.%, resulting in stable systems with coulombic efficiency of over 99.3%. The cell employing a membrane prepared from PPO and trimethylamine moiety attached via a C6-spacer achieved the best overall cell performance. It delivered high capacity retention (94% after over 100 consecutive cycles) and higher peak power density (293 mW•cm −2 at 16 mL•min −1 ) and energy efficiency (80%) than the commercial reference memane FAA-3-50. By controlling the water uptake below 70 wt.% and involving a C6 spacer, the obtained membranes maintain excellent ion selectivity and conductivity, resulting in enhanced battery performance that breaks through the commercial membrane.
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