Транспортные характеристики перфторированной сульфокатионообменной мембраны в отношении катионов ванадия (IV) и (V)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Ионообменная мембрана в контакте с кислым раствором ванадиевых солей – объект исследования многих научных групп в контексте его непременного присутствия в качестве элемента мембранно-электродных блоков как полностью ванадиевой редокс-батареи, так и гибридных проточных источников тока, использующих соединения ванадия на одном из полуэлементов. В настоящей работе проведена апробация нового метода оценки транспортных характеристик мембраны Nafion 211 в отношении ионов ванадия высоких степеней окисления (VO2+ и VO2+) – ванадил- и ванадат-катионов, находящихся в водном сернокислом растворе различной кислотности. Метод основан на измерении хроноамперограмм после наложения скачка потенциала (токовых транзиентов) на электроде с прижатой к поверхности мембраной в условиях, когда ток электрохимического преобразования ванадил: ванадат на границе электрод/мембрана в прямом или обратном направлении лимитируется переносом этих частиц через мембрану из раствора. Установлено, что начальные участки транзиентов описываются коттрелловской зависимостью (I ~ t–0.5), а установившиеся токи пропорциональны концентрации реагента на внешней стороне мембраны (как и коттрелловские коэффициенты). Получены экспериментальные хроноамперограммы и проведен расчет коэффициентов диффузии ванадил- и ванадат-катионов в мембране, а также коэффициента их распределения между мембраной и электролитом, при варьировании содержания в нем серной кислоты (от 2.2 до 5 М) и отношения концентраций [VO2+]:[VO2+] от 0 до 1. Установлено, что с ростом содержания кислоты в электролите коэффициент диффузии ванадил-катиона в контактирующей с ним мембране снижается с 1.76 до 0.84×10–11 м2/с, а коэффициент диффузии ванадат-катиона с 1.89 до 0.8×10–11 м2/с. При этом коэффициент распределения мембрана/раствор для обоих катионов также снижается: с 0.27 до 0.13 и с 0.21 до 0.12 соответственно. Сделан вывод о применимости метода для анализа ионного транспорта и равновесного состава ионообменных мембран в сернокислых ванадиевых электролитах.

Об авторах

О. И. Истакова

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: oistakova@gmail.com
Черноголовка, Россия; Москва, Россия

Д. О. Толстельс

Email: dkfrvzh@yandex.ru

Д. В. Конев

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: oistakova@gmail.com
Черноголовка, Россия; Москва, Россия

М. А. Воротынцев

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: oistakova@gmail.com
Москва, Россия

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 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».