Polymerelektrolytmembranen (PEM) für Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Das Ziel dieses interdisziplinär ausgerichteten Projekts bestand darin, neue PEM-Materialien für Vanadium-Flow-Batterien (VFB) zu entwickeln. Diese Materialien basierten auf kommerziell verfügbaren Fluorpolymerfolien als Gerüstmaterial. Die Aktivierung der Gerüstmaterialien erfolgte durch Elektronenbestrahlung, gefolgt von einer Graftcopolymerisation zur Einführung funktionaler Gruppen, die entweder sulfonierbar oder bereits protonenleitend sind. Zur Bewertung der neuen Materialien im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik wurden sowohl physikalische als auch elektrochemische Untersuchungen durchgeführt und bewertet. Darüber hinaus wurde mithilfe dieser experimentellen Erkenntnisse ein umfassendes Verständnis des Graftcopolymerisationsprozesses erarbeitet, was die Grundlage für die systematische Entwicklung eines innovativen Reaktordesigns zur Steigerung der Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von PEMs bildete.

Zwar sind VFB bereits kommerziell verfügbar, dennoch bleibt die Membran eine kritische und kostenintensive Komponente, deren Optimierung ein umfassenderes Verständnis der Vanadium-Crossover-Prozesse erfordert. Hierfür wurden stationäre und dynamische Experimente unter Variation der Stromdichte, des Ladungszustandes, der Elektrolytkonzentration sowie des Elektrolytführungskonzeptes durchgeführt, um den Vanadium-Stofftransport innerhalb der Membran in situ zu erfassen. Basierend auf diesen experimentellen Ergebnissen war es möglich, ein Membranstofftransportmodell zu entwickeln um die Dynamik des Vanadium-Crossovers und der damit verbundenen Selbstentladungsreaktionen abzubilden, sodass die Evaluierung von Diffusionskoeffizienten und dynamischen Stofftransportprozessen ermöglicht wurde.

Zusammenfassend zeigt die Studie, dass graftcopolymerisierte Membranen für VFB eine vielversprechende Alternative zum aktuellen Stand der Technik darstellen können. Dies resultiert aus der Verringerung des spezifischen Flächenwiderstandes und des Vanadium-Crossovers, was zu einer Verringerung des Kapazitätsverlusts in der Batterie führt. Darüber hinaus unterstreicht die Studie die Bedeutung, welche die dynamischen Stofftransportprozesse und Selbstentladungsvorgänge innerhalb der Membran haben.