Una nueva membrana de intercambio iónico mejora el rendimiento de las baterías de flujo de redox de vanadio
Los investigadores han desarrollado una membrana híbrida basada en materiales nanohíbridos bidimensionales
La batería de flujo de redox de vanadio (VRFB) es un prometedor sistema de almacenamiento de energía sostenible. En una célula VRFB, se utiliza una membrana de intercambio iónico (IEM) para prevenir la formación de un cortocircuito cátodo/ánodo y evitar el cruce de electrolitos y las reacciones laterales, al tiempo que se permite la conducción de protones para mantener la célula eléctricamente neutra.
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Hasta la fecha, la membrana de ácido sulfónico perfluorado (PFSA) es el IEM más aplicado para los VRFB. Sin embargo, la permeación severa de iones de vanadio en la membrana de PFSA acorta la vida de la célula y provoca un rendimiento insatisfactorio de la misma.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor LI Huiyun, el profesor YU Shuhui y el doctor YE Jiaye, del Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen (SIAT) de la Academia China de Ciencias, ha desarrollado una membrana híbrida basada en materiales nanohíbridos bidimensionales, que puede mejorar el rendimiento de las VRFB.
En la membrana recién desarrollada, se incrustaron nanoplanchas de óxido de grafeno (GO) en la matriz de PFSA para que actuaran como "barrera" y redujeran la permeabilidad de los iones de vanadio. Las nanopartículas de trióxido de tungsteno (WO3) se cultivaron in situ en la superficie de las nanohojas de GO para superar el efecto electrostático y mejorar la hidrofilia y la dispersabilidad de las nanohojas de GO.
"Estas nanopartículas hidrofílicas de trióxido de tungsteno en la superficie de las nanohojas de GO sirven como sitios activos de protones para facilitar su transporte", dijo el Dr. YE Jiaye, primer autor del estudio.
La fina capa porosa de politetrafluoroetileno (PTFE) se intercaló en el centro de la membrana como una capa reforzada que mejora la estabilidad de la misma.
Bajo el efecto sinérgico del WO3@GO y la capa de PTFE, la membrana híbrida mostró una alta selectividad de iones. La célula individual VRFB con la membrana híbrida optimizada proporcionó una mayor eficiencia coulómbica y energética en comparación con la membrana comercial de Nafion.
En su estudio anterior, publicado en Chemical Engineering Journal, este equipo de investigación desarrolló una membrana compuesta con estructura de sándwich basada en nanocables de carburo de silicio funcionalizados unidimensionales.
Los investigadores introdujeron nanoalambres de carburo de silicio funcionalizados en una matriz de ácido sulfónico perfluorado (PFSA) y los intercalaron en una capa de politetrafluoroetileno de porosidad ultrafina.
Esta membrana híbrida no sólo mantiene una buena conductividad de protones, sino que también reduce eficazmente la penetración de los iones de vanadio, mejorando así el rendimiento de la célula VRFB.
Estos estudios proporcionan una estrategia de preparación para el diseño de IEMs de alto rendimiento para VRFBs basados en materiales modificados unidimensionales y bidimensionales, que pueden extenderse a otros campos incluyendo el tratamiento de aguas y las pilas de combustible.
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