The recycling of commercial Nafion membranes and synthesis of high performance Nafion composite membranes

With the growing of the population worldwide, the evolution of mankind and technology, larger and larger energy consumption must be expected in the years to come. Unprecedented challenges are still to be faced and the research of new energy sources are needed to meet the future demand, in an environmentally sustainable direction with the exploitation of renewable energy sources. Energy storage systems (ESS) are an essential requirement in this ecosystem to guarantee a stable energy distribution. Electrochemical redox flow batteries (RFBs) represent a good candidate for an efficient and scalable energy storage system. During this work, a deep introduction to the working principle, component structure and materials of RFBs and an overview of the current state of the art, is made. One of the most crucial components of RFBs, i.e., the membrane, is further discussed analyzing different materials available, their preparation methods, advantages, and disadvantages. Finally, attention is given to Nafion membranes, the most efficient and commercially available membranes nowadays available. Their main limitation is the high cost of the material, representing one of the most expensive components of the overall RFB. The aim of this work is to propose a recycle method for the used Nafion membrane and optimize its composition to obtain a highly efficient membrane comparable to the new one. Optimization strategies involved are blending and introduction of inert particles. After the optimization of the production process, characterization techniques are employed to analyze different properties of the recycled membranes, such as ion-permeability, and to compare them with the fresh Nafion counterpart, both from a physicochemical and electrochemical point of view.

Con la crescita della popolazione mondiale, l'evoluzione dell'umanità e della tecnologia, si prevede un consumo di energia sempre maggiore negli anni a venire. Sfide senza precedenti sono ancora da affrontare e la ricerca di nuove fonti di energia è necessaria per soddisfare la domanda futura, in una direzione sostenibile dal punto di vista ambientale, sfruttando fonti di energia rinnovabili. I sistemi di stoccaggio di energia sono un requisito essenziale in questo ecosistema per garantire una distribuzione stabile dell'energia. Le batterie a flusso rappresentano un buon candidato come sistema di stoccaggio di energia efficiente e altamente scalabile. Questo lavoro prevede una profonda introduzione al principio di funzionamento, alla struttura dei componenti e ai materiali delle batterie a flusso e una panoramica dello stato dell'arte attuale. Uno dei componenti più cruciali delle batterie a flusso, cioè la membrana, è ulteriormente discusso, analizzando i diversi materiali disponibili, i loro metodi di preparazione, i vantaggi e gli svantaggi. Infine, l'attenzione principale è data alle membrane di Nafion, le più efficienti e commercialmente disponibili al giorno d'oggi. La loro principale limitazione è l'alto costo del materiale e la scarsa durabilità, rappresentando uno dei componenti più costosi dell'intera batteria a flusso. Lo scopo di questo lavoro è di proporre un metodo di riciclo per le membrane di Nafion a fine vita e di ottimizzare la composizione per ottenere una membrana ad alta efficienza. Le strategie di ottimizzazione utilizzate sono la miscelazione e l'introduzione di particelle inerti. Dopo aver ottimizzato il metodo di preparazione, varie tecniche di caratterizzazione sono impiegate per analizzare le diverse proprietà delle membrane riciclate, come la permeabilità ionica, e per confrontarle con membrane di Nafion commerciale nuove, sia dal punto fisico-chimico che dal punto elettrochimico in una batteria a flusso.