Membranas basadas en redes orgánicas covalentes catiónicas para baterías de flujo redox de Zn/Br$_{2}$ de alto...

Área de la Ciencia:

• Electroquímica
• Ciencia de Materiales
• Almacenamiento de Energía

Sus antecedentes:

• Las baterías de flujo redox de zinc-bromuro (BFR de Zn/Br$_{2}$) son prometedoras para el almacenamiento de energía a gran escala debido a su seguridad y eficiencia.
• El diseño de la membrana es crucial para las BFR de Zn/Br$_{2}$, ya que equilibra el transporte de iones (Zn$^{2+}$, Br$^{-}$) y suprime reacciones secundarias indeseables como el desplazamiento de polibromuro (Br$_{n}$$^{-}$).
• Las membranas existentes se enfrentan a una compensación entre la alta conductividad iónica y el bloqueo eficaz de la migración de Br$_{n}$$^{-}$, lo que limita el rendimiento de la batería.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una membrana compuesta novedosa para BFR de Zn/Br$_{2}$ que supere la compensación entre la conductividad iónica y el desplazamiento de Br$_{n}$$^{-}$
• Mejorar la conducción de aniones y al mismo tiempo suprimir la migración de Br$_{n}$$^{-}$ mediante la incorporación estratégica de materiales.
• Evaluar el rendimiento de la nueva membrana en BFR de Zn/Br$_{2}$.

Principales métodos:

• Incorporación de un marco orgánico covalente catiónico (COF) derivado de bromuro de etidio y triformilfloroglucinol (EB-COF) en una matriz de Nafion (NF).
• Caracterización de la estructura de la membrana compuesta, la formación de redes de agua y los grupos funcionales (-CHO, -NH$_{2}$, N$^{+}$).
• Ensamblaje y prueba de BFR de Zn/Br$_{2}$ utilizando la membrana compuesta NF/EB-COF, específicamente NF/EB-COF(0.3).

Principales resultados:

• El EB-COF dentro de la matriz de Nafion facilitó abundantes redes de agua, mejorando significativamente la conductividad iónica.
• Los grupos de amonio cuaternario (N$^{+}$) en el EB-COF absorbieron eficazmente el Br$_{2}$ y mitigaron el efecto de desplazamiento de Br$_{n}$$^{-}$
• La membrana compuesta NF/EB-COF(0.3) demostró un rendimiento superior, permitiendo que las BFR de Zn/Br$_{2}$ alcanzaran un 89,1 % de eficiencia energética a 40 mA cm$^{-2}$.

Conclusiones:

• La estrategia de diseño de membrana propuesta aborda eficazmente la compensación crítica en las membranas de BFR de Zn/Br$_{2}$.
• La membrana compuesta NF/EB-COF ofrece una mayor conducción iónica y una supresión del cruce de polibromuro, lo que conduce a un mejor rendimiento de la batería.
• Este trabajo presenta una vía viable para desarrollar membranas avanzadas para sistemas de almacenamiento de energía eficientes y seguros a gran escala.