カチオン性共有結合性有機骨格ベース膜を用いた高性能Zn/Br₂レドックスフロー電池

科学分野:

• 電気化学
• 材料科学
• エネルギー貯蔵

背景:

• 亜鉛-臭素レドックスフロー電池（Zn/Br₂ RFB）は、安全性と効率性から、大規模なエネルギー貯蔵として有望視されています。
• 膜設計は、イオン輸送（Zn²⁺、Br⁻）と、ポリブロミド（Brn⁻）シャトリングなどの望ましくない副反応の抑制とのバランスをとる上で、Zn/Br₂ RFBにとって重要です。
• 既存の膜は、高いイオン伝導率とBrn⁻移動の効果的な遮断との間のトレードオフに直面しており、電池性能を制限しています。

研究 の 目的:

• イオン伝導率とBrn⁻シャトル間のトレードオフを克服するZn/Br₂ RFB用の新規複合膜を開発すること。
• 戦略的な材料組み込みを通じて、アニオン伝導を強化し、同時にBrn⁻移動を抑制すること。
• Zn/Br₂ RFBにおける新規膜の性能を評価すること。

主な方法:

• 臭化エチジウムとトリホルミルフロログルシノール（EB-COF）から誘導されたカチオン性共有結合性有機骨格（COF）をNafion（NF）マトリックスに組み込むこと。
• 複合膜の構造、水ネットワーク形成、および官能基（-CHO、-NH₂、N⁺）の特性評価。
• NF/EB-COF複合膜、特にNF/EB-COF(0.3)を使用したZn/Br₂ RFBの組み立てとテスト。

主要な成果:

• NFマトリックス中のEB-COFは豊富な水ネットワークを促進し、イオン伝導率を大幅に向上させました。
• EB-COF中の第四級アミン基（N⁺）は、Br₂を効果的に吸収し、Brn⁻シャトル効果を緩和しました。
• NF/EB-COF(0.3)複合膜は優れた性能を示し、Zn/Br₂ RFBは40 mA cm⁻²で89.1%のエネルギー効率を達成しました。

結論:

• 提案された膜設計戦略は、Zn/Br₂ RFB膜における重要なトレードオフを効果的に解決します。
• NF/EB-COF複合膜は、イオン輸送の強化とポリブロミドの浸透の抑制を提供し、電池性能の向上につながります。
• この研究は、効率的で安全な大規模エネルギー貯蔵システムのための高度な膜を開発するための実行可能な経路を提示します。