Transport Characteristics of Perfluorinated Sulfocation Exchange Membrane with Respect to Vanadium (IV) and (V) Cations

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Ion-exchange membrane in contact with acidic solution of vanadium salts represents an object of study by many research teams in the context of its indispensable presence as an element of membrane-electrode assemblies of both all-vanadium redox flow batteries and hybrid flow power sources which use vanadium compounds inside one of the half-cells. In this work, a new method has been employed for assessing the transport characteristics of the Nafion211 membrane with respect to vanadium ions of high oxidation degrees, i. e. vanadyl (VO2+) and vanadate (VO2+) cations, inside aqueous sulfuric acid solutions of varying acidities. The method is based on measuring chronoamperograms, i. e. current transients after a potential step of the electrode in contact with a membrane (pressed to its surface) under conditions where the current of the electrochemical conversion of vanadyl/vanadate at the electrode/membrane interface in the forward or backward direction is limited by the transport of these species across the membrane from an external solution. It has been found that the short-time segments of the transients can be described by the Cottrell dependence (I ~ t–0.5); both the Cottrell coefficients and the steady-state currents are proportional to the reagent concentration at the outer side of the membrane. Measurement of chronoamperograms as well as their interpretation to calculate both the diffusion coefficients of vanadyl and vanadate cations inside the membrane and their distribution coefficients at the membrane/solution boundary have been carried out for varying the sulfuric-acid concentration (from 2.2 M to 5 M) and the concentration ratio [VO2+]/[VO2+] from 0 to 1 inside the external solution. It has been found that the increase of acid content leads to the growth of vanadyl diffusion coefficient in membrane from 1.76 до 0.84·10–11 m2/s, and vanadate diffusion coefficient falls from 1.89 to 0.8·10–11 m2/s. Meanwhile, distribution coefficients decrease for both of them: from 0.27 to 0.13 and from 0.21 to 0.12 correspondingly. Conclusion has been made on the applicability of the method to analyze the ion transport and the equilibrium composition of ion-exchange membranes in contact with a mixed sulfuric-acid oxovanadium-cations solution.

Sobre autores

O. Istakova

Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry; Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry

Email: oistakova@gmail.com
Chernogolovka, Russia; Moscow, Russia

D. Tolstelc

Email: dkfrvzh@yandex.ru

D. Konev

Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry; Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry

Email: oistakova@gmail.com
Chernogolovka, Russia; Moscow, Russia

M. Vorotyntsev

Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry

Autor responsável pela correspondência
Email: oistakova@gmail.com
Moscow, Russia

Bibliografia

  1. Wang, H., Pourmousavi, S.A., Soong, W.L., Zhang, X., and Ertugrul, N., Battery and energy management system for vanadium redox flow battery: A critical review and recommendations, J. Energy Storage, 2023, vol. 58, Article number 106384.
  2. Aluko, A. and Knight, A., A review on vanadium redox flow battery storage systems for large-scale power systems application, IEEE Access, 2023, vol. 11, p. 13773.
  3. Poli, N., Bonaldo, C., Moretto, M., and Guarnieri, M., Techno-economic assessment of future vanadium flow batteries based on real device/market parameters, Appl. Energy, 2024, vol. 362, Article number 122954.
  4. Cao, L., Skyllas-Kazacos, M., Menictas, C., and Noack, J., A review of electrolyte additives and impurities in vanadium redox flow batteries, J. Energy Chem., 2018, vol. 27, no. 5, p. 1269.
  5. Pahlevaninezhad, M., Pahlevani, M., and Roberts, E.P., Effects of aluminum, iron, and manganese sulfate impurities on the vanadium redox flow battery, J. Power Sources, 2022, vol. 529, Article number 231271.
  6. Ding, M., Liu, T., Zhang, Y., Cai, Z., Yang, Y., and Yuan, Y., Effect of Fe (III) on the positive electrolyte for vanadium redox flow battery, R. Soc. Open Sci., 2019, vol. 6, no. 1, Article number 181309.
  7. Park, J.H., Park, J.J., Lee, H.J., Min, B.S., and Yang, J.H., Influence of metal impurities or additives in the electrolyte of a vanadium redox flow battery, J. Electrochem. Soc., 2018, vol. 165, no. 7, p. A1263.
  8. He, Z., Lv, Y., Zhang, T., Zhu, Y., Dai, L., Yao, S., Zhu, W., and Wang, L., Electrode materials for vanadium redox flow batteries: Intrinsic treatment and introducing catalyst, Chem. Eng. J., 2022, vol. 427, Article number 131680.
  9. Piwek, J., Gonzalez, G., Peljo, P., and Frackowiak, E., Molten salt carbon felt oxidation for VRFB electrode performance improvement, Carbon, 2023, vol. 215, Article number 118483.
  10. Ren, J., Dong, Y., Dai, J., Hu, H., Zhu, Y., and Teng, X., A novel chloromethylated/quaternized poly(sulfone)/poly(vinylidene fluoride) anion exchange membrane with ultra-low vanadium permeability for all vanadium redox flow battery, J. Membr. Sci., 2017, vol. 544, p. 186.
  11. Cecchetti, M., Ebaugh, T.A., Yu, H., Bonville, L., Gambaro, C., Meda, L., Maric, R., Casalegno, A., and Zago, M., Design and development of an innovative barrier layer to mitigate crossover in vanadium redox flow batteries, J. Electrochem. Soc., 2020, vol. 167, no. 13, Article number 130535.
  12. Wang, T., Han, J., Kim, K., Münchinger, A., Gao, Y., Farchi, A., Choe, Y.K., Kreuer, K.D., Bae, C., and Kim, S., Suppressing vanadium crossover using sulfonated aromatic ion exchange membranes for high performance flow batteries, Mater. Adv., 2020, vol. 1, no. 7, p. 2206.
  13. MacDonald, M. and Darling, R.M., Modeling flow distribution and pressure drop in redox flow batteries, AIChE J., 2018, vol. 64, no. 10, p. 3746.
  14. García-Salaberri, P.A., Gokoglan, T.C., Ibáñez, S.E., Agar, E., and Vera, M., Modeling the effect of channel tapering on the pressure drop and flow distribution characteristics of interdigitated flow fields in redox flow batteries, Processes, 2020, vol. 8, no. 7, Article number 775.
  15. Pugach, M., Parsegov, S., Gryazina, E., and Bischi, A., Output feedback control of electrolyte flow rate for vanadium redox flow batteries, J. Power Sources, 2020, vol. 455, Article number 227916.
  16. Hao, L., Wang, Y., and He, Y., Modeling of ion crossover in an all-vanadium redox flow battery with the interfacial effect at membrane/electrode interfaces, J. Electrochem. Soc., 2019, vol. 166, no. 8, p. A1310.
  17. Pugach, M., Kondratenko, M., Briola, S., and Bischi, A., Zero dimensional dynamic model of vanadium redox flow battery cell incorporating all modes of vanadium ions crossover, Appl. Energy, 2018, vol. 226, p. 560.
  18. Chen, Y., Bao, J., Xu, Z., Gao, P., Yan, L., Kim, S., and Wang, W., A two-dimensional analytical unit cell model for redox flow battery evaluation and optimization, J. Power Sources, 2021, vol. 506, Article number 230192.
  19. Chen, Y.S., Ho, S.Y., Chou, H.W., and Wei, H.J., Modeling the effect of shunt current on the charge transfer efficiency of an all-vanadium redox flow battery, J. Power Sources, 2018, vol. 390, p. 168.
  20. Trovò, A., Alotto, P., Giomo, M., Moro, F., and Guarnieri, M., A validated dynamical model of a kW-class vanadium redox flow battery, Math. Comput. Simul., 2021, vol. 183, p. 66.
  21. Pugach, M., Bogdanov, S., Vlasov, V., Erofeeva, V., and Parsegov, S., Identification of crossover flux in VRFB cells during battery cycling, J. Power Sources, 2024, vol. 610, Article number 234745.
  22. Gandomi, Y.A., Aaron, D.S., and Mench, M.M., Coupled membrane transport parameters for ionic species in all-vanadium redox flow batteries, Electrochim. Acta, 2016, vol. 218, p. 174.
  23. Xie, W., Darling, R.M., and Perry, M.L., Processing and pretreatment effects on vanadium transport in Nafion membranes, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 163, no. 1, p. A5084.
  24. Lawton, J.S., Jones, A.M., Tang, Z., Lindsey, M., and Zawodzinski, T., Ion effects on vanadium transport in Nafion membranes for vanadium redox flow batteries, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, no. 13, p. A2987.
  25. Shirasaki, K. and Yamamura, T., Direct observation of vanadium ion permeation behavior through Nafion 117 using 48V radiotracer for all-vanadium redox flow battery, J. Membr. Sci., 2019, vol. 592, Article number 117367.
  26. Park, J.W., Wycisk, R., and Pintauro, P.N., Nafion/PVDF nanofiber composite membranes for regenerative hydrogen/bromine fuel cells, J. Membr. Sci., 2015, vol. 490, p. 103.
  27. Park, J.W., Wycisk, R., Pintauro, P.N., Yarlagadda, V., and Nguyen, T.V., Electrospun Nafion/Polyphenylsulfone composite membranes for regenerative hydrogen bromine fuel cells, Materials, 2016, vol. 9, Article number 143.
  28. Park, J.W., Wycisk, R., and Pintauro, P.N., Membranes for a regenerative H2/Br2 fuel cell, ECS Trans., 2013, vol. 50, no. 2, p. 1217.
  29. Конев, Д.В., Истакова, О.И., Карташова, Н.В., Абунаева, Л.З., Пырков, П.В., Локтионов, П.А., Воротынцев, М.А. Электрохимическое измерение коэффициента диффузии ко-ионов в ионообменных мембранах. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 870. [Konev, D.V., Istakova, O.I., Kartashova, N.V., Abunaeva, L.Z., Pyrkov, P.V., Loktionov, P.A., and Vorotyntsev, M.A., Electrochemical measurement of co-ion diffusion coefficient in ion-exchange membranes, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 1103.]
  30. Konev, D.V., Istakova, O.I., and Vorotyntsev, M.A., Electrochemical measurement of interfacial distribution and diffusion coefficients of electroactive species for ion-exchange membranes, Membranes, 2022, vol. 12, Article number 1041.
  31. Истакова, О.И., Конев, Д.В., Толстель, Д.О., Рубан, Е.А., Красикова, М.С., Воротынцев, М.А. Единичная ячейка водородно-ванадиевого проточного источника тока с высокой удельной мощностью разряда. Электрохимия. 2024. Т. 60. С. 611. [Istakova, O.I., Konev, D.V., Tolstel, D.O., Ruban, E.A., Krasikova, M.S., and Vorotyntsev, M.A., A high discharge power density single cell of hydrogen–vanadium flow battery, Russ. J. Electrochem., 2024, vol. 60, p. 716.]
  32. Конев, Д.В., Пичугов, Р.Д., Локтионов, П.А., Рубан, Е.А., Гончарова, О.А., Усенко, А.А., Петров, М.М., Антипов, А.Е., Истакова, О.И., Петухова, Э.А., Ершова, В.С. Способ измерения средней степени окисления и концентрации ионов ванадия в электролите ванадиевой проточной редокс-батареи и установка для его осуществления. Пат. RU2817409C2 (Россия), 2024. [Konev, D.V., Pichugov, R.D., Loktionov, P.A., Ruban, E.A., Goncharova, O.A., Usenko, A.A., Petrov, M.M., Antipov, A.E., Istakova, O.I., Petuhova, E.A., and Ershova, V.S., Method of measuring average oxidation degree and concentration of vanadium ions in electrolyte of vanadium flowing redox battery and installation for implementation thereof, Patent RU2817409C2 (Russia), 2024.]
  33. Петухова, Э.А., Ершова, В.С., Терентьев, А.В., Рубан, Е.А., Пичугов, Р.Д., Конев, Д.В., Усенко, А.А. Кулонометрический метод анализа для определения концентрации и степени окисления ванадия в электролите ванадиевой проточной батареи с использованием водородно-ванадиевой ячейки. Конденсированные среды и межфазные границы. 2025. Т. 27. № 1. С. 128. [Petukhova, E.A., Ershova, V.S., Terent’ev, A.V., Ruban, E.A., Pichugov, R.D., Konev, D.V., and Usenko, A.A., Coulometric method for analyzing vanadium concentration and oxidation state in vanadium redox battery electrolyte using a hydrogen-vanadium cell, Condensed Matter and Interphases, 2025, vol. 27, no. 1, p. 128.]
  34. Jiang, B., Yu, L., Wu, L., Mu, D., Liu, L., Xi, J., and Qiu, X., Insights into the impact of the Nafion membrane pretreatment process on vanadium flow battery performance, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, vol. 8, no. 19, p. 12228.
  35. Bard, A.J. and Faulkner, L.R., Electrochemical methods: Fundamentals and applications, 2nd Ed., New York: John Wiley & Sons, 2001. 833 p.
  36. Kamcev, J., Sujanani, R., Jang, E.S., Yan, N., Moe, N., Paul, D.R., and Freeman, B.D., Salt concentration dependence of ionic conductivity in ion exchange membranes, J. Membr. Sci., 2018, vol. 547, p. 123.
  37. Lawton, J.S., Jones, A., and Zawodzinski, T., Concentration dependence of VO2+ crossover of Nafion for vanadium redox flow batteries, J. Electrochem. Soc., 2013, vol. 160, no. 4, p. A697.
  38. Elgammal, R.A., Tang, Z., Sun, C.N., Lawton, J., and Zawodzinski Jr, T.A., Species uptake and mass transport in membranes for vanadium redox flow batteries, Electrochim. Acta, 2017, vol. 237, p. 1.
  39. Dupont, Nafion® PFSA Membranes NRE-211 and NRE-212 Datasheet, 2006.
  40. Воротынцев, М.А., Задер, П.А. Прохождение диффузионно-миграционного тока через систему электрод/мембрана/раствор. Часть 1: эволюция в интервале коротких времен. Бинарный электролит (одинаковые подвижности). Электрохимия. 2024. Т. 60. С. 497. [Vorotyntsev, M.A. and Zader, P.A., Passage of diffusion-migration current across electrode/membrane/solution system. Part 1: Short-time evolution. Binary electrolyte (equal mobilities), Russ. J. Electrochem., 2024, vol. 60, p. 532.]
  41. Quill, N., Petchsingh, C., Lynch, R.P., Gao, X., Oboroceanu, D., Eidhin, D.N., and Buckley, D.N., Factors affecting spectroscopic state-of-charge measurements of positive and negative electrolytes in vanadium redox flow batteries, ECS Trans., 2015, vol. 64, no. 18, p. 23.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».