Development of cellulose-based membranes for Vanadium Redox Flow Cell Battery applications

• Main Author: Sapouna, Ioanna
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH) 2018
• Subjects: Natural Sciences; Naturvetenskap; Chemical Sciences; Kemi
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-235217

In this study, the development of a cellulose-based membrane for use in Vanadium Redox Flow Cell Batteries (VRFBs) was investigated. Cellulose is the most abundant biopolymer on earth and due to its versatility it finds multiple applications. However, cellulose and its derivatives can be easily hydrolyzed in the amorphous regions, under acidic conditions. In order to bypass this problem and use this tough material in the highly acidic and oxidative environment of a VRFB, two approaches were utilized. First, cellulose nanocrystals (CNCs) were employed, which basically lack amorphous regions, to minimize the effect of hydrolysis. An additional advantage is that CNCs can create films with specific stereochemistry, as they pack closely, in helical structures. Second, the surface of the CNCs was modified with the use of trichloro(1H,1H,2H,2H- perfluorooctyl)silane (TCPOS). This molecule has a long fluorocarbon chain, which acts protectively towards hydrolysis of the CNCs. The choice of silane was made in order to produce a material that can resemble Nafion, the most popular copolymer used in VRFBs. Nafion has a fluorocarbon, Teflon-like, backbone and a hydrophilic side chain that consists of a sulfonic acid groups. The first step was to make a material that is stable under the VRFB conditions. The membranes were characterized with AFM imaging, FTIR spectroscopy, contact angle measurements, and tensile testing. With the use of the product of alkoxylation of TCPOS (TMPOS), hydrophobic membranes were produced that exhibit contact angle with water larger than that of Nafion. Young’s modulus of the membranes with TMPOS was larger compared to the one of CNC membranes without TMPOS. To determine stability against acidic conditions, Dynamic Light Scattering (DLS) was used. Additionally, stability of the membranes after acid and Vanadium solution treatment was performed with gravimetric measurements. From the results, 67% of the samples tested remained intact under high ionic strength and acidic conditions. In addition, the effect of the amount of silane on the membranes was evaluated. The results of this study are promising and encourages further research on this direction. === I denna studie undersöktes utvecklingen av ett cellulosabaserat membran för användning i Vanadin redoxflödesbatterier (VRFB, en.). Cellulosa är den mest förekommande biopolymeren på jorden och med dess mångsidighet finns många tillämpningar. Cellulosa, och dess derivat, kan dessvärre enkelt hydrolyseras i amorfa regioner under sura förhållanden. För att kringgå detta problem och för att kunna använda materialet i den sura och oxidativa miljö som förekommer i ett VRFB, användes två tillvägagångssätt. Först användes cellulosananokristaller (CNC, en.) för att minimera effekten av hydrolys, då de huvudsakligen saknar amorfa regioner. Ytterligare en fördel är att man med CNC kan skapa filmer med specifik stereokemi, då de packas tätt i spiralformade strukturer. Det andra tillvägagångssättet var att modifiera CNC-ytan med hjälp av trikloro(1H,1H,2H,2H-perfluoroktyl)silan (TCPOS, en.). Denna molekyl har en lång fluorvätekedja, som skyddar mot hydrolys av CNC. Silan valdes för att skapa ett material som liknar Nafion, som är den vanligaste co-polymeren i VRFB. Nafion har en huvudkedja av fluorväte, liknande Teflon, och en hydrofil sidokedja bestående av sulfonsyragrupper. Det första steget var att göra ett material som är stabilt under de förhållanden som råder i ett VRFB. Membranen karaktäriserades med hjälp av AFM, FTIR-spektroskopi, kontaktvinkelmätningar och dragprov. Alkoxyleringsprodukten som erhölls ifrån TCPOS- behandlingen användes för att tillverka hydrofoba membran med en kontaktvinkel mot vatten som är större än för Nafion. Youngs modul för membran med TMPOS var större än för CNC- membran utan TMPOS. För att klarlägga stabiliteten under sura förhållanden ändvändes DLS. Dessutom testades membranens stabilitet efter syra- och vanadinlösningsbehandling genom olika gravimetriska mätningar. Resultaten visade att 67 % av de testade proverna förblev intakta under förhållanden med hög jonstyrka och surhet. Effekten av mängden använt silan i membranen utvärderades också. Resultaten från denna studie är lovande och uppmuntrar till vidare forskning i denna riktning.