Hydrocarbon (HC) membranes for vanadium redox flow battery (VRFB) have attracted a great deal of interest, owing to their cost-effectiveness and high ion selectivity. However, they suffer from severe chemical degradation by highly oxidative $VO_2^{+}$ ion in positive electrolyte. Here, in order to improve the cycle-stability of a sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) membrane, a SPAES-Nafion composite (S-N) membrane is suggested. The S-N membrane is composed of a SPAES substrate, a thin recast Nafion layer and a three-dimensional interlocked interfacial layer (3-D IIL) in which two different polymers are tightly bound forming 3-D structure. The SPAES substrate provides high ion selectivity which can contributes to high VRFB performance and the thin Nafion layer protects the SPAES substrate from $VO_2^{+}$ ion, improving the chemical stability of membrane. The 3-D IIL binds two different membranes, not generating additional interfacial resistance for proton conduction. As a result, the VRFB with the S-N membrane exhibits higher coulombic efficiencies and energy efficiencies than that with Nafion 115 at various current densities from 40 to 200 mA $cm^{-2}$. Moreover, the VRFB with the S-N membrane can operate more than 200 cycles in contrast to the sudden death of the VRFB with the SPAES membrane at 110th cycle due to the membrane failure, demonstrating the efficacy of this approach in improving membrane durability.
바나듐 레독스 흐름 전지 용 탄화수소계 분리막은 매우 낮은 가격과 높은 이온 선택성 때문에 많은 관심을 끌어왔다. 하지만, 탄화수소계 막은 양극 전해질 내의 매우 강한 산화력의 $VO_2^{+}$ 이온에 의한 화학적 열화 때문에 그 사용에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는, 탄화수소계 막의 수명을 증가시키기 위하여, 탄화수소계-과불소계 복합막을 제시한다. 탄화수소계-과불소계 복합막은 탄화수소계 막, 얇은 과불소계 층, 그리고 서로 다른 고분자가 3차원 구조를 이루며 결착하여 있는 3차원 계면결착층으로 구성되어 있다. 복합막은 높은 이온 선택성의 탄화수소계 막을 이용하여 높은 전지 성능에 기여하고, 얇은 나피온 층은 탄화수소계 막을 $VO_2^{+}$로부터 보호하여, 막의 수명 증가에 기여한다. 아울러, 3차원 계면결착막은 서로 다른 두 층을 수소이온 전도도의 손실 없이 물리적으로 결착시킨다. 그 결과, 탄화수소계-과불소계 복합막을 사용한 바나듐 레독스 흐름 전지는 다양한 전류밀도에서 상용 과불소계 막보다 높은 쿨롱 효율과 에너지 효율을 가진다. 또한, 장기 구동 시 탄화수소계 막은 110 사이클 후 매우 급격한 성능 감소를 보이는 반면, 탄화수소계-과불소계 복합막은 200 사이클 이상으로 향상된 막 내구성을 보인다.
