Modifizierung und Charakterisierung der Membran- und Elektrodenmaterialien der Vanadium-Redox-Flow-Batterie

Abstract

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) ist ein Speichersystem, das seine Energie in zwei durch eine ionenleitende Membran getrennten wässrigen Elektrolyten speichert, worin Vanadium in seinen vier Oxidationsstufen (V(II/III) auf der negativen und V(IV/V) auf der positiven Seite) enthalten ist. In beiden Halbzellen laufen beim Laden bzw. Entladen Redoxreaktionen ab, wodurch elektrische Energie gespeichert bzw. geliefert wird. Zwei entscheidende Bestandteile der VRFB sind die Elektroden und die Ionenaustauschermembran. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung und Modifizierung geeigneter Elektroden- und Membranmaterialien. Neun unterschiedliche Ionenaustauschermembranen wurden hinsichtlich ihres Flächenwiderstandes, ihrer Vanadium- und Wasserdurchlässigkeit, ihres Selbstentladungsverhaltens in der Einzelzelle und ihrer Performance in Lade-/Entladetests untersucht. Mit Hilfe der Untersuchungsergebnisse lässt sich gezielt eine passende Membran für den Einsatz in der VRFB wählen. Weiterhin konnten durch die Modifikation der F-9120-Membran mit Polypyrrol ihre Eigenschaften verbessert werden. Als Elektrodenmaterial wurden Graphitfilze verwendet. Unbehandelte Graphitfilze weisen jedoch hohe Überspannungen gegenüber den Reaktionen in der VRFB auf, sodass Modifizierungen notwendig sind. Es wurden drei Modifizierungsprinzipien angewendet: Bildung von Ober- flächensauerstoffgruppen, Oberflächenvergrößerung und Stickstoffdotierung. Die elektrochemische Charakterisierung erfolgte durch Cyclovoltammetrie, elektrochemische Impedanzspektroskopie, Strom-Spannungskennlinien und Lade-/Entladezyklen.

The vanadium redox flow battery (VRFB) is an electrochemical energy storage device which stores the energy in two separated liquid electrolytes. It contains vanadium in its four oxidation states (V(II/III) on the negative side and V(IV/V) on the positive side). The species undergo during charging and discharging respectively redox reactions in the half cells which store/provide the electrical energy. Two critical components of the VRFB are represented by the electrodes and the ion exchange membrane. The aim of this work was the characterization and modification of appropriate electrode and membrane materials for the VRFB. Nine distinct ion exchange membranes were investigated concerning their area resistance, permeability of the vanadium ions and water, self-discharge behavior in the single cell setup and its performance at charge/discharge tests. With these information it is possible to choose an adequate membrane for the application in the VRFB. By modification with polypyrrole the properties of the F-9120 membrane were improved. Graphite felts were used as electrode material. As untreated graphite felts have high overpotentials against the reactions in the VRFB, modifications are necessary. Three modification principles were applied: introduction of oxygen surface groups, surface enlargement and nitrogen doping. The electrochemical characterization was done by cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, current-voltage characteristics and charge/discharge cycles.