Amphoteric ion exchange membrane synthesized by radiation-induced graft copolymerization of styrene and dimethylaminoethyl methacrylate into PVDF film for vanadium redox flow battery applications

放射線グラフト共重合によるレドックスフロー電池用両性イオン交換膜の合成

Qiu, J.*; Zhang, J.*; Chen, J.; Peng, J.*; Xu, L.*; Zhai, M.*; Li, J.*; Wei, G.*

Qiu, J.*; Zhang, J.*; Chen, J.; Peng, J.*; Xu, L.*; Zhai, M.*; Li, J.*; Wei, G.*

放射線グラフト重合法により、モノマーであるスチレン(St)とメタクリル酸ジメチルアミノエチル(DMAEMA)をポリフッ化ビニリデン(PVDF)フィルムへグラフトした後、そのグラフトフィルムをスルホン化とプロトン化反応により両性イオン交換膜とした。グラフト率は、照射線量とともに増加し、約60kGyで最大グラフト率が得られた。両性イオン交換膜の特性はグラフト組成に密接に依存することが確認できた。すなわち、グラフト鎖中DMAEMAの成分が高いほど、バナジウムイオン透過性とプロトン導電性は低くなった。また、作製した両性イオン交換膜をレドックスフロー電池に組み込んで、電池性能をテストした結果、両性イオン交換膜は、1.2Vの開路電圧の状態で68時間の耐久性があるのに対し、ナフィオン117膜では14時間であった。

Poly(vinylidene difluoride) (PVDF) film was grafted with styrene (St) and dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) using irradiation techniques. Through subsequent sulfonation and protonation processes, a new kind of amphoteric ion exchange membrane (AIEM) was synthesized. The grafting yield () increased with absorbed dose and leveled off at about 60 kGy. The properties of the AIEM strongly depended on the composition and of the film, i.e. higher content of DMAEMA brought lower permeability of vanadium ions and conductivity. Finally, an AIEM was assembled and tested in the vanadium redox flow battery (VRFB) system. It was found that the VRFB assembled with the AIEM maintained an open circuit voltage (OCV) higher than 1.2V after placed for 68h, which was much longer than that with the Nafion117 membrane. Therefore, this work provides a novel method to develop potential substitute of Nafion membranes to be applied in VRFB system.