Synthese von Polymerelektrolytmembranen für Vanadium-Redox-Flow Batterien auf Basis von PVDF und Acrylmonomeren

Polymerelektrolytmembranen (PEM) sind für die Protonenleitfähigkeit in Vanadium-Redox-Flow Batterien (VRFB) und Brennstoffzellen verantwortlich. Die hier vorgestellte Synthese der PEMs erfolgt durch Pfropfcopolymerisation von Acrylmonomeren auf zuvor durch Elektronenbehandlung aktivierte Fluorpolymerfolien. Die Pfropfcopolymerisation findet in wässriger Phase mit 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure und Acrylsäure statt, wodurch protogene Gruppen direkt in die PEM ohne Sulfonierung eingebracht werden. Herausfordernd bei dieser Synthesestrategie ist die Reproduzierbarkeit aufgrund des Anstiegs der Viskosität der Reaktionslösung mit steigender Reaktionszeit, weshalb das Wachstum der PEM während der Synthese behindert wird. Um diese Beobachtung besser zu verstehen und in der Folge den Viskositätsanstieg zu begrenzen, wird der Einfluss des pH-Wertes und der Ionenstärke untersucht. Zur Einstellung beider Größen wird NaOH und NaCl verwendet. Es zeigt sich, dass die Natriumsalze der Monomere die Viskosität der Reaktionslösung signifikant herabsenken. Die mechanischen Eigenschaften der PEMs werden durch Zugfestigkeitsmessungen charakterisiert und die Leistung der PEMs auf Basis von elektrochemischer Impedanzspektroskopie bewertet. Zudem werden die PEMs in der VRFB getestet. Hierfür wird eine Serie von Lade- und Entladezyklen durchgeführt. Die ermittelten Protonenleitfähigkeiten und Ionenaustauschkapazitäten sind mit Nafion 117, dem Standardmaterial für PEMs, konkurrenzfähig und haben das Potential zur Verbesserung der Eigenschaften, da die Variation der Reaktionsbedingungen zur PEM-Synthese nicht ausgeschöpft ist.