Applications of Porous Glass Membranes in Redox-Flow-Batteries - Investigations on the Influence of Membrane Thickness, Pore Structure and Surface Modification

• Applicants: Professor Dr. Dirk Enke; Professor Dr.-Ing. Ulrich Kunz
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering ; Energy Process Engineering ; Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis ; Technical Chemistry
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 267002041

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Zentrales Anliegen des Projektes war es, poröse Glasmembranen (PGs) mit unterschiedlichen Modifikationen herzustellen und Wege zu finden, diese möglichst effizient und dauerhaft als Separatormaterial in Vanadiumbasierten Redox-Flow Batterien (VRBs) einzusetzen. Hintergrund und Motivation waren die immer noch auftretenden Defizite von polymerbasierten Membranen, die beim Einsatz im korrosiven Umfeld der in den VRBs verwendeten Medien auftreten. Dies sind insbesondere deren Quell- und Schrumpfungsverhalten sowie die Alterung der Membranen, die in der Regel einen Austausch nach spätestens 10 Betriebsjahren erforderlich macht. Die Anwendung von porösen anorganischen Membranen kann hier wesentliche Fortschritte bringen. Die Verwendung poröser Gläser verspricht dabei sowohl eine hohe räumlichmechanische, wie chemische Stabilität sowie zukünftig die kostengünstige Herstellung von Separatoren. Durch systematische Untersuchungen wurden erste optimierte Parameterkombinationen für einen Einsatz von porösen Glasmembranen unter möglichst realitätsnahen Bedingungen als Separatormaterial in elektrochemischen Reaktoren, wie sie in Redox-Flow-Batterien zum Einsatz kommen, ermittelt. Oberflächenmodifizierte poröse Glasmembranen mit Porendurchmessern unterhalb von 10 nm eignen sich aufgrund ihrer Langlebigkeit, um bei moderaten Stromdichten hohe Ladungsausbeuten zu erreichen. Die sehr niedrigen Selbstentladungsraten ermöglichen dabei einen dauerhaften Einsatz auch bei geringen Stromstärken, also im Schwachlastbereich, unter geringen Ladungsverlusten. Die gezielte Beeinflussung des Porensystems, insbesondere hinsichtlich der Porosität der Membranen, könnte dieses Einsatzspektrum in Zukunft noch deutlich erweitern, da hierdurch höhere Stromdichten erreichbar scheinen. Kommen dabei organisch basierte Elektrolyte zum Einsatz, könnte aufgrund der größeren Moleküldurchmesser voraussichtlich weiterhin die sehr gute Trennwirkung der Membranen auch bei einer gezielten Aufweitung der Poren unter gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsparameter erreicht werden.

Publications

• Application of Porous Glass Membranes in Redox Flow Batteries - Analysis of the Influences of Membrane Thickness, Pore Structure and Surface Modification, 28. DECHEMA Zeolith-Tagung, Gießen, 2016
  Mögelin H.; Barascu, A.; Meyer, R.; Enke, D.; Kunz, U.
  
• Application of Porous Glass Membranes in Redox Flow Batteries - Analysis of the Influences of Membrane Thickness, Pore Structure and Surface Modification, International Flow Battery Forum, Karlsruhe, 2016
  Mögelin H.; Yao, G.; Barascu, A.; Meyer, R.; Enke, D.; Kunz, U.
  
• Application of Porous Glass Membranes in Redox Flow Batteries - Influences of Membrane Thickness and Pore Structure, Electrochemistry, Goslar, 2016
  Mögelin H.; Zhong, H.; Barascu, A.; Krenkel, S.; Wassersleben, S.; Enke, D.; Kunz, U.
  
• Effect of Pore Size of Porous Glass Membranes on the Performance of Vanadium Redox- Flow Batteries, 11th European Symposium on Electrochemical Engineering, Prag, 2017
  Mögelin H.; Barascu, A.; Krenkel, S.; Wassersleben, S.; Enke, D.; Kunz, U.
  
• Effect of Pore Size of Porous Glass Membranes on the Performance of Vanadium Redox- Flow Batteries, 29. DECHEMA Zeolith-Tagung, Frankfurt/M., 2017
  Mögelin H.; Barascu, A.; Krenkel, S.; Wassersleben, S.; Enke, D.; Kunz, U.
  
• Modellierung einer Vanadium Redox-Flow Batterie mit poröser Glasmembran, GDCh Wissenschaftsforum, Berlin, 2017
  Prumbohm, E.; Mögelin H.; Barascu, A.; Krenkel, S.; Enke, D.; Kunz, U.; Turek, T.
  
• Effect of the Pore Size and Surface Modification of Porous Glass Membranes on Vanadium Redox-Flow Battery Performance. J. Appl. Electrochem. 48 (2018) 651–662
  Mögelin, H.; Barascu, A.; Krenkel, S.; Enke, D.; Turek, T.; Kunz, U.
  
• Porous Glass Membrane Modifications and their Effects on Redox Flow Battery Performance, 30. DECHEMA Zeolith-Tagung, Kiel, 2018
  Mögelin H.; Barascu, A.; Krenkel, S.; Enke, D.; Kunz, U.; Turek, T.
  
• Porous glass membranes for vanadium redox-flow battery application - Effect of pore size on the performance. J. Power Sources 377 (2018) 18-25
  Mögelin, H.; Yao, G.; Zhong, H.; dos Santos, A. R.; Barascu, A.; Meyer, R.; Krenkel, S.; Wassersleben, S.; Hickmann, T.; Enke, D.; Turek, T.; Kunz, U.