نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 ;کارشناس تحقیقات ذخیره سازهای انرژی، پژوهشکده مکانیک

2 رئیس بخش توان، گروه ذخیره سازهای انرژی، پژوهشکده مکانیک

3 مدیر گروه ذخیره سازهای انرژی، پژوهشکده مکانیک

4 رییس پژوهشکده مکانیک،

5 کارشناس آزمون، گروه ذخیره‌سازهای انرژی، پژوهشکده مکانیک

چکیده

در سال‌های اخیر، با هدف بهبود دانسیته توان و دانسیته انرژی سیستم‌های باتری وانادیومی، پژوهش‌های گسترده‌ای با تمرکز بر مواد کلیدی باتری جریانی وانادیومی انجام شده است. در یک سیستم باتری جریانی وانادیومی، غشای تبادل یون از اهمیت قابل‌ توجهی برخوردار است، چراکه به‌منظور جدا کردن الکترولیت‌های قطب مثبت و منفی باتری وانادیومی و اجازه دادن به انتقال یون‌ها به‌کار می‌رود. در حال حاضر، غشاهای نفیون به دلیل هدایت بالای پروتون و پایداری شیمیایی قابل‌توجه، به‌طور گسترده در باتری‌های جریانی وانادیومی به‌کار می‌روند. در پژوهش حاضر، غشای نفیون 117 تحت یک پیش‌عملیات اسیدی و حرارتی قرار گرفته است تا برای کاربرد در باتری‌ جریانی وانادیومی بررسی شود. استک‌های سه‌سلولی باتری‌ جریانی وانادیومی با استفاده از غشای خام و غشای پیش‌عملیات ‌شده مونتاژ شدند و عملکرد آن‌ها طی سیکل‌های شارژ/ دشارژهای متوالی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که با اِعمال پیش‌عملیات اسیدی و حرارتی روی غشای نفیون 117، دانسیته انرژی تا 30% افزایش یافته است. علاوه‌بر این، ولتاژ متوسط دشارژ که یکی از پارامترهای کلیدی در تعیین عملکرد باتری جریانی وانادیومی است، با انجام پیش‌عملیات روی غشاء دستخوش تغییر شده و از V 57/3 (برای غشای خام) به V 9/3 (برای غشای پیش‌عملیات ‌شده) افزایش یافته است. این موضوع به کاهش وزن استک باتری جریانی وانادیومی و هم‌چنین کاهش هزینه‌های تولید باتری کمک می‌کند. از طرفی، با انجام پیش‌عملیات اسیدی و حرارتی روی غشای نفیون بازده انرژی و بازده ولتاژ باتری به ترتیب از 9/66% و 8/76% به 73% و 87% افزایش یافته‌اند

کلیدواژه‌ها

موضوعات

##M. Zarei-Jelyani, S. Rashid-Nadimi, and S. Asghari, "Treated carbon felt as electrode material in vanadium redox flow batteries: a study of the use of carbon nanotubes as electrocatalyst," Journal of Solid State Electrochemistry, vol. 21, no. 1, pp. 69-79, 2017.##
## M. Guarnieri, A. Trovò, A. D'Anzi, and P. Alotto, "Developing vanadium redox flow technology on a 9-kW 26-kWh industrial scale test facility: Design review and early experiments," Applied Energ, vol. 230, pp. 1425-1434, 2018.##
##  E. Sum, M. Rychcik, and M. Skyllas-Kazacos, "Investigation of the V (V)/V (IV) system for use in the positive half-cell of a redox battery," Power Sources, vol. 16, no. 2, 1985.##
##   E. Sum and M. Skyllas-Kazacos, "A study of the V (II)/V (III) redox couple for redox flow cell applications," Journal of Power sources, vol. 15, no. 2-3, pp. 179-190, 1985.##
##   M. M. Loghavi, M. Zarei-Jelyani, Z. Niknam, M. Babaiee, and R. Eqra, "Antimony-decorated graphite felt electrode of vanadium redox flow battery in mixed-acid electrolyte: promoting electrocatalytic and gas-evolution inhibitory properties," Journal of Electroanalytical Chemistry, p. 116090, 2022.##
##   M. Zarei-Jelyani, M. Babaiee, A. Ghasemi, and R. Eqra, "Investigation of hydroxylated carbon felt electrode in vanadium redox flow battery by using optimized supporting electrolyte," Journal of Renewable Energy and Environment, vol. 3, no. 4, pp. 54-59, 2016.##
##   M. Skyllas-Kazacos, M. Chakrabarti, S. Hajimolana, F. Mjalli, and M. Saleem, "Progress in flow battery research and development," Journal of the electrochemical society, vol. 158, no. 8, p. R55, 2011.##
## G. L. Soloveichik, "Metal-free energy storage," Nature, vol. 505, no. 7482, pp. 163-164, 2014.##
## M. H. Moghim, R. Eqra, M. Babaiee, M. Zarei-Jelyani, and M. M. Loghavi, "Role of reduced graphene oxide as nano-electrocatalyst in carbon felt electrode of vanadium redox flow battery," Journal of Electroanalytical Chemistry, vol. 789, pp. 67-75, 2017.##
##  G. Kear, A. A. Shah, and F. C. Walsh, "Development of the all‐vanadium redox flow battery for energy storage: a review of technological, financial and policy aspects," International journal of energy research, vol. 36, no. 11, pp. 1105-1120, 2012.##
##   C. Ding, H. Zhang, X. Li, T. Liu, and F. Xing, "Vanadium flow battery for energy storage: prospects and challenges," The journal of physical chemistry letters, vol. 4, no. 8, pp. 1281-1294, 2013.##
##    X. Li, H. Zhang, Z. Mai, H. Zhang, and I. Vankelecom, "Ion exchange membranes for vanadium redox flow battery (VRB) applications," Energy & Environmental Science, vol. 4, no. 4, pp. 1147-1160, 2011.##
##   F. Rahman and M. Skyllas-Kazacos, "Vanadium redox battery: Positive half-cell electrolyte studies," Journal of Power Sources, vol. 189, no. 2, pp. 1212-1219, 2009.##
##   W. Lu, X. Li, and H. Zhang, "The next generation vanadium flow batteries with high power density–a perspective," Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 20, no. 1, pp. 23-35, 2018.##
##   S. Kim et al., "1 kW/1 kWh advanced vanadium redox flow battery utilizing mixed acid electrolytes," Journal of Power Sources, vol. 237, pp. 300-309, 2013.##
##   D. Reed et al., "Performance of Nafion® N115, Nafion® NR-212, and Nafion® NR-211 in a 1 kW class all vanadium mixed acid redox flow battery," Journal of Power Sources, vol. 285, pp. 425-430, 2015.##
##  B. Jiang, L. Wu, L. Yu, X. Qiu, and J. Xi, "A comparative study of Nafion series membranes for vanadium redox flow batteries," Journal of Membrane Science, vol. 510, pp. 18-26, 2016.##
##  Z. Yuan, Y. Duan, H. Zhang, X. Li, H. Zhang, and I. Vankelecom, "Advanced porous membranes with ultra-high selectivity and stability for vanadium flow batteries," Energy & environmental science, vol. 9, no. 2, pp. 441-447, 2016.##
##    A. Parasuraman, T. M. Lim, C. Menictas, and M. Skyllas-Kazacos, "Review of material research and development for vanadium redox flow battery applications," Electrochimica Acta, vol. 101, pp. 27-40, 2013.##
##    M. Ulaganathan, V. Aravindan, Q. Yan, S. Madhavi, M. Skyllas‐Kazacos, and T. M. Lim, "Recent advancements in all‐vanadium redox flow batteries," Advanced Materials Interfaces, vol. 3, no. 1, p. 1500309, 2016.##
##  D. Chen, M. A. Hickner, E. Agar, and E. C. Kumbur, "Optimized anion exchange membranes for vanadium redox flow batteries," ACS applied materials interfaces, vol. 5, no. 15, pp. 7559-7566, 2013.##
##   D. Reed et al., "Performance of a low cost interdigitated flow design on a 1 kW class all vanadium mixed acid redox flow battery," Journal of Power Sources, vol. 306, pp. 24-31, 2016.##
##   Z. Yuan, X. Zhu, M. Li, W. Lu, X. Li, and H. Zhang, "A highly ion‐selective zeolite flake layer on porous membranes for flow battery applications," Angewandte Chemie, vol. 128, no. 9, pp. 3110-3114, 2016.##
##  J. Xi, Z. Wu, X. Teng, Y. Zhao, L. Chen, and X. Qiu, "Self-assembled polyelectrolyte multilayer modified Nafion membrane with suppressed vanadium ion crossover for vanadium redox flow batteries," Journal of Materials Chemistry, vol. 18, no. 11, pp. 1232-1238, 2008.##
## L. Liu, W. Chen, and Y. Li, "An overview of the proton conductivity of nafion membranes through a statistical analysis," Journal of membrane science, vol. 504, pp. 1-9, 2016.##
##    R. Kuwertz, C. Kirstein, T. Turek, and U. Kunz, "Influence of acid pretreatment on ionic conductivity of Nafion® membranes," Journal of membrane science, vol. 500, pp. 225-235, 2016.##
##  A. Hassan, "Thermochemical treatment and Spectro-electrochemical characterization of electrodes used in pilot scale vanadium redox flow battery," Université Paul Sabatier-Toulouse III, 2020.##
##  M. M. Ikhsan et al., "Polybenzimidazole membranes for vanadium redox flow batteries: Effect of sulfuric acid doping conditions," Chemical Engineering Journal, vol. 435, p. 134902, 2022.##
## C. Tempelman, J. Jacobs, R. Balzer, and V. Degirmenci, "Membranes for all vanadium redox flow batteries," Journal of Energy Storage, vol. 32, p. 101754, 2020.##
##  K. Shirasaki and T. Yamamura, "Direct observation of vanadium ion permeation behavior through Nafion 117 using 48V radiotracer for all-vanadium redox flow battery," Journal of Membrane Science, vol. 592, p. 117367, 2019.##
## C. Sun, J. Chen, H. Zhang, X. Han, and Q. Luo, "Investigations on transfer of water and vanadium ions across Nafion membrane in an operating vanadium redox flow battery," Journal of Power Sources, vol. 195, no. 3, pp. 890-897, 2010.##