Entwicklung neuer Prozeduren zur Elementbestimmung und Speziation in Vanadium Redox Flow Batterien

Lutz, C.; Fittschen, U. E. A. GND

Die Vanadium Redox Flow Batterie (VRFB) hat ein großes Potenzial als kommerzielles elektrochemisches Energiespeichersystem eingesetzt zu werden, aufgrund von ausge-zeichneten Eigenschaften wie zum Beispiel einer langen Lebensdauer sowie einer theo-retisch unendlich hohen Kapazität. Die am meiste verwendete Membran in VRFB ist Nafion™ (DuPont), welche neben mehreren positiven Eigenschaften wie einer guten chemischen und mechanischen Stabilität auch eine sehr schlechte Ionenselektivität be-sitzt. Aufgrund dieser schlechten Ionenselektivität werden nicht nur Protonen, sondern auch Vanadium-Ionen durch die Nafion Membran transportiert. Die Folgen dieses Pro-zesses, auch Crossover genannt, sind in der Regel über mehrere Lade-Entlade-Zyklen eine Zunahme der Vanadium-Menge im Positiven Elektrolyten (PE), eine Volumenzu-nahme des PE, die Selbstentladung der Batterie sowie schlussendlich die Abnahme der Kapazität. Die genauen Transportprozesse von Vanadium-Ionen durch die Membran sind noch nicht verstanden. Dies wird unterstrichen durch die publizierten Diffusions-koeffizienten der Vanadium-Spezies. Zum Beispiel befinden sich die veröffentlichten Diffusionskoeffizienten von VII zwischen 3,13 · 10-12 m2s-1 und 9,44 · 10-12 m2s-1. Für ein besseres Verständnis der Transportvorgänge in der Membran einer VRFB, fokussiert sich unsere Arbeit auf die Entwicklung neuer Prozeduren für die Elementbestimmung und Speziation von Vanadium in VRFB mittels Photometrie und Labor-Röntgen-Nah-kanten-Absorptions-Spektroskopie (XANES). In der folgenden Arbeit wird gezeigt, dass Nafion™ 117 bei 18 °C 22,89 ± 0,58 % Wasser aufnimmt und nach einer Konditi-onierung in einem Vanadium-Elektrolyten die wässrige Phase des Nafion™ eine Vana-dium-Konzentration von 1,029 ± 0,024 mol kg-1 aufweist. Der Gehalt auf die hydrierte Membran bezogen beträgt 0,192 ± 0,004 mol kg-1, welcher λ = n(V)/n(SO3) = 0,211 ± 0,005 entspricht. Zusätzlich wird gezeigt, dass sich sowohl die Photometrie als auch die Labor-XANES zur direkten Speziation von Vanadium in Nafion™ eignen.

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Lutz, C. / Fittschen, U.: Entwicklung neuer Prozeduren zur Elementbestimmung und Speziation in Vanadium Redox Flow Batterien. Aachen 2019. Shaker.

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