Membrane-Induced Vanadium Crossover-Blocking Polybenzimidazole Copolymer with Exceptional Proton Selectivity

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作者
Saheed Bukola,Ashlee Vise,Yuanshun Li,Gabriel A. Goenaga,Thomas A. Zawodzinski,Jeffrey L. Blackburn,Bryan S. Pivovar
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:4 (1): 381-393 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsapm.1c01318
摘要

Broad deployment of redox flow batteries is hindered, in part, due to the lack of highly selective ion-exchange membranes with high proton conductivity. We report a post-functionalization strategy for polybenzimidazole copolymer (PBI-co) membranes by a reacting mixture of concentrated sulfuric and phosphoric acids that led to improved membrane selectivity while retaining high proton conductivity. Fourier-transform infrared spectroscopy confirmed successful sulfonation and protonation of benzimidazole functionalities. PBI-co exhibits a very high room-temperature proton conductivity of 0.138 S cm–1, as measured by electrochemical impedance spectroscopy. PBI-co also demonstrates electromigration crossover mitigation under applied current densities up to 500 mA cm–2, and voltage pulses up to 1.4 V, while also inhibiting diffusion-driven vanadium crossover for over 20 days. Single-cell vanadium flow battery testing on post-functionalized PBI-co further confirms state-of-the-art battery performance with an ∼99.5% Coulombic efficiency at 100 mA cm–2 and an area-specific resistance of ∼20 mΩ cm2 lower than Nafion-212 membrane.
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