Project

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Functional composite separator-membrane materials for redox flow batteries

English title Functional composite separator-membrane materials for redox flow batteries
Applicant Gubler Lorenz
Number 188631
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Labor für Elektrochemie Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.07.2020 - 30.06.2024
Approved amount 256'964.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Physical Chemistry

Keywords (7)

ion exchange membrane; redox flow battery; porous separator; transport selectivity; polybenzimidazole; all-vanadium redox flow battery; graft copolymerization

Lay Summary (German)

Lead
Die Speicherung elektrischer Energie in Batterien gewinnt mit der Zunahme des Anteils von erneuerbarem Strom aus fluktuierenden Quellen (z.B. Photovoltaik) an Bedeutung. Neben konventionellen wiederaufladbaren Batterien stellen Redox-Flussbatterien eine vielverspre-chende Technologie dar, weil hier die Spezifikationen Leistung und Speicherdauer unabhän-gig voneinander skaliert werden können. Ferner sind Flussbatterien auf eine Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren ausgelegt. Grosse Netzspeicher im Bereich 10 - 100 MW mit einer Speicher-dauer von 1 bis 10 h sind nötig, um erneuerbaren Strom ins Netz zu integrieren. Um die Spei-cherkosten zu reduzieren bedarf es neuer Materialien und Komponenten, denn die derzeit verwendeten sind kostenintensiv und wurden vielfach aus anderen Anwendungen ‘entlehnt’ und sind daher nicht auf die Gegebenheiten in Redox-Flusszellen angepasst.
Lay summary

Die Zielsetzung des Projektes ist es, neuartige ionenleitende Membranen für Vanadium Flussbatterien zu erforschen und deren Potential im Zellbetrieb zu evaluieren. Vanadium Flussbatterien enthalten einen flüssigen, Schwefelsäure haltigen Elektrolyten mit Vanadium-Ionen in unterschiedlichen Oxidationsstufen auf der negativen bzw. der positiven Seite. Gewöhnliche poröse Separatoren, wie sie in gängigen wiederaufladbaren Batterien, z.B. Lithium-Ionen Batterien, verwendet werden, eignen sich daher nicht für Vanadium-Flussbatterien, da sich die Vanadium Ionen nahezu ungehindert durch die Poren des Separators bewegen können, was zu einer hoher Selbstentladungsrate führt. Die Selektivität des Separators kann durch Einbringen oder Aufbringen von funktionellen Gruppen verbessert werden. Dies soll mithilfe von Pfropfreaktionen erfolgen und / oder durch Auftragen einer dünnen Schicht eines dichten Ionenaustauschpolymers mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 10 Mikrometer. Polybenzimidazol eignet sich hierfür, da es sich einfach modifizieren lässt, z.B. durch Einbringen von Ionenaustausch-, Alkyl- oder Vernetzergruppen. Die neuartigen Membranen sollen die Vorteile von porösen Separatoren und einem Ionenaustauchfilm mit hoher Selektivität vereinen.

Die neuen Materialien bieten die Chance, den Wirkungsgrad der Flussbatterie deutlich zu verbessern bei gleichzeitiger Verwendung von kostengünstigen kommerziellen Polymeren, welche sich einfach funktionalisieren lassen. Eine Verringerung der Anschaffungskosten für Batteriesysteme kann die Wirtschaftlichkeit von elektrochemischen Speichern verbessern und deren Implementierung ins Stromnetz mit hohem Anteil erneuerbarer Energien beschleunigen.

Direct link to Lay Summary Last update: 23.06.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
176653 Functionalized Separators Enabling a Break-Through of Redox Flow Batteries for Stationary Energy Storage 01.06.2018 Bridge - Discovery

Abstract

Redox flow batteries are well suited to provide grid-scale energy storage solutions, for instance to support power generation from wind and solar farms. The technology is in the demonstra-tion and early deployment phase and requires further improvements in performance and re-duction of cost to be competitive in the energy storage market. The ion exchange membrane is a key component in flow batteries, as it influences cell performance and accounts for almost half of the hardware cost. Therefore, improvements in membrane technology are imperative to improve the economic viability of flow batteries. The cost of ion exchange membranes currently used in many flow battery types is in the range of hundreds of EUR/m2. On the other hand, conventional rechargeable batteries typically use a porous separator that is around a hundred times cheaper. We propose to explore next gen-eration separator-membrane materials for flow batteries based on modified porous separators. Pristine porous battery separators cannot be used, as they do not show any barrier properties for soluble redox-active species. Therefore, we aim to modify porous separators by graft copol-ymerization of ionic monomers to maintain high ionic conductivity and introduce ion selectivi-ty. For the activation of the porous substrate, well known methods will be used, such as elec-tron beam irradiation, plasma activation or corona treatment. This can also create a gradient in functionalization and create an asymmetric distribution of the grafted polymer layer across the thickness of the substrate. In addition, we aim to prepare bilayer membranes, where a thin ‘skin-‘ film of an ion exchange polymer with a thickness in the micrometer range is coated onto the porous substrate. The ion exchange polymer is based on polybenzimidazole (PBI) type and related polymers, which will be functionalized to introduce desired properties, such as anion or cation exchange groups or mixtures thereof, to tune structural properties, such as the free volume, or introduce crosslinks. The work will be focused on the all-vanadium redox flow battery, but is deemed to be of suffi-ciently generic nature to be used in other flow battery types. The project can be a timely and valuable contribution to the research and development of next generation membrane / sepa-rator materials for flow batteries that the industry is calling for to lower the lifetime energy storage costs and thus improve the economic viability of the technology.
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