Ion conducting membranes for fuel cells and other electrochemical devices

Chemistry of Materials

Volumn 26, Issue 1, 2014, Pages 361-380

  Kreuer, Klaus Dieter ^a  

^a MAX PLANCK INSTITUT FÜR FESTKÖRPERFORSCHUNG   (Germany)

Author keywords

Aquivion; block copolymer; conductivity; diffusion; fuel cell; hydration; hydroxide; ion conducting membrane; ionomer; Li ion battery; Nafion; nanomorphology; phosphate; polyelectrolyte; proton; redox flow battery; visco elastic constants

Indexed keywords

AQUIVION; HYDROXIDE; ION-CONDUCTING MEMBRANES; LI-ION BATTERIES; NAFION; NANOMORPHOLOGIES; REDOX FLOW BATTERIES; VISCO-ELASTIC;

DIFFUSION; ELECTRIC CONDUCTIVITY; ENERGY CONVERSION; GAS FUEL PURIFICATION; HYDRATION; IONOMERS; IONS; LITHIUM BATTERIES; PHOSPHATES; POLYELECTROLYTES; PROTONS; VIRTUAL STORAGE;

FUEL CELLS;

EID: 84892567803     PISSN: 08974756     EISSN: 15205002     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cm402742u     Document Type: Review

References (118)

1. Polymers for Energy Storage and Delivery: Polyelectrolytes for Batteries and Fuel Cells; ACS Symposium Series 1096; Page, K. A., Soles, C. L., and Runt, J., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.
2. Hess, M.; Jones, R. G.; Kahovec, J.; Kitayama, T.; Kratochvil, P.; Kubisa, P.; Mormann, W.; Stepto, R. F. T.; Tabak, D.; Vohlidal, J. Pure Appl. Chem. 2006, 78 (11) 2067-2074
3. Saarinen, V.; Kreuer, K. D.; Schuster, M.; Merkle, R.; Maier, J. Solid State Ionics 2007, 178, 533
4. Herz, H. G.; Kreuer, K. D.; Maier, J.; Scharfenberger, G.; Schuster, M. F. H.; Meyer, W. H. Electrochim. Acta 2003, 48, 2165
5. Steininger, H.; Schuster, M.; Kreuer, K. D.; Maier, J. Solid State Ionics 2006, 177, 2457
6. Rager, T.; Schuster, M.; Steininger, H.; Kreuer, K. D. Adv. Mater. 2007, 19, 3317
7. Steininger, H.; Schuster, M.; Kreuer, K. D.; Kaltbeitzel, A.; Bingöl, B.; Meyer, W. H.; Schauff, S.; Brunklaus, G.; Maier, J.; Spiess, H. W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 1764
8. Schuster, M.; Rager, T.; Noda, A.; Kreuer, K. D.; Maier, J. Fuel Cells 2005, 5, 355
9. Atanasov, V.; Kerres, J. Macromolecules 2011, 44, 6416
10. Dippel, T.; Kreuer, K. D.; Lassègues, J. C.; Rodriguez, D. Solid State Ionics 1993, 61, 41
11. Kreuer, K. D. Chem. Mater. 1996, 8, 610
12. Wainright, J. S.; Wang, J. T.; Weng, D.; Savinell, R. F.; Litt, M. J. Electrochem. Soc. 1995, 142, L121
13. Peron, J.; Nedellec, Y.; Jones, D. J.; Rozière, J. J. Power Sources 2008, 185, 1209
14. Gierke, T. D.; Munn, G. E.; Wilson, F. C. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1981, 19, 1687
15. Rubatat, L.; Rollet, A. L.; Gebel, G.; Diat, O. Macromolecules 2002, 35, 4050
16. Li, J.; Park, J. K.; Moore, R. B.; Madsen, L. A. Nat. Mater. 2011, 10, 507
17. Kreuer, K. D.; Portale, G. Adv. Funct. Mat. 2013, 10.1002/adfm.201300376
18. Kusoglu, A.; Modestino, M. A.; Hexemer, A.; Segalman, R. A.; Weber, A. Z. ACS Macro Lett. 2012, 1, 33
19. Lyonnard, S.; Berrod, Q.; Gebel, G.; Guillermo, A. Presented at E-MRS Spring Meeting, Symposium F, Strasbourg, 2012.
20. Kreuer, K. D. In preparation.
21. Gebel, G.; Diat, O. Fuel Cells 2005, 5, 261
22. Rubatat, L.; Gebel, G.; Diat, O. Macromolecules 2004, 37, 7772
23. Tant, M. R.; Darst, K. P.; Lee, K. D.; Martin, C. W. In Multiphase Polymers: Blends and Ionomers; ACS Symposium Series 395; Utracki, L. A.; Weiss, R. A., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC, 1989; pp 370-400.
24. Ghielmi, A.; Vaccarono, P.; Troglia, C.; Arcella, V. J. Power Sources 2005, 145, 108
25. Kreuer, K. D.; Paddison, S. J.; Spohr, E.; Schuster, M. Chem. Rev. 2004, 104, 4637
26. Escoubes, M.; Pineri, M. In Perfluorinated Ionomer Membranes; Eisenberg, A.; Yeager, H. L., Eds.; ACS Symposium Series 180; American Chemical Society: Washington, DC, 1982; pp 9-24.
27. Kreuer, K. D. Solid State Ionics 2013, 252, 93-101
28. Choi, P. H.; Jalani, N. H.; Datta, R. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, E84
29. Choi, P. H.; Datta, R. J. Electrochem. Soc. 2003, 150, E601
30. Freger, V. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 24
31. Bass, M.; Berman, A.; Singh, A.; Konovalov, O.; Freger, V. Macromolecules 2011, 44, 2893
32. Eastman, S. A.; Kim, S.; Page, K. A.; Rowe, B. W.; Kang, S.; Soles, C. L.; Yager, K. G. Macromolecules 2012, 45, 7920
33. Telfah, A.; G. Majer, G.; Kreuer, K. D.; Schuster, M.; Maier, J. Solid State Ionics 2010, 181, 461
34. Dippel, T.; Kreuer, K. D. Solid State Ionics 1991, 46, 3
35. Kreuer, K. D.; Weppner, W.; Rabenau, A. Solid State Ionics 1981, 3/4, 353
36. Kreuer, K. D.; Rabenau, A.; Weppner, W. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1982, 21, 208
37. Tuckerman, M. E.; Laasonen, K.; Sprik, M.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 1995, 103, 150
38. Agmon, N. Chem. Phys. Lett. 1995, 244, 456
39. Kreuer, K. D. Solid State Ionics 2000, 136-137, 149
40. Kreuer, K. D.; Schuster, M.; Obliers, B.; Diat, O.; Traub, U.; Fuchs, A.; Klock, U.; Paddison, S. J.; Maier, J. J. Power Sources 2008, 178, 499
41. Kreuer, K. D. Hydrocarbon membranes. In Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology and Applications. Vielstich, W.; Lamm, A.; Gasteiger, H., Eds.; John Wiley & Sons Ltd.: Chichester, U.K., 2003; Vol. 3, Part 3, pp 420-435.
42. Almeras, Y.; Barrat, J. L.; Bocquet, L. J. Phys. IV 2000, 10, 27
43. Merlo, L.; Ghielmi, A.; Cirillo, L.; Cirillo, L.; Gebert, M.; Arcella, V. J. Power Sources 2007, 171, 140
44. Ghassemzadeh, L.; Marrony, M.; Barrera, R.; Kreuer, K. D.; Maier, J.; Müller, K. J. Power Sources 2009, 186, 334
45. Curtin, D. E.; Lousenberg, R. D.; Henry, T. J.; Tangeman, P. C.; Tisack, M. E. J. Power Sources 2004, 131, 41
46. LaConti, A.; Hamdan, M.; McDonald, R. In Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology, and Applications; Vielstich, W.; Lamm, A.; Gasteiger, H., Eds.; John Wiley and Sons Ltd.: Chichester, U.K., 2003; pp 647-662.
47. Ghassemzadeh, L.; Kreuer, K. D.; Maier, J.; Müller, K. J. Phys. Chem. C 2010, 34, 14635
48. Collete, F.; Thominette, F. M.; Mendil-Jakani, H.; Gebel, G. J. Membr. Sci. 2013, 435, 242
49. Kreuer, K. D. J. Membr. Sci. 2001, 185, 29
50. Rikukawa, M.; Sanui, K. Prog. Polym. Sci. 2000, 25, 1463
51. Hickner, M.; Ghassemi, H.; Kim, Y. S.; Einsla, B. R.; McGrath, J. E. Chem. Rev. 2004, 104, 4587-4612
52. Schuster, M.; Kreuer, K. D.; Andersen, H. T.; Maier, J. Macromolecules 2007, 40, 598
53. de Araujo, C. C.; Kreuer, K. D.; Schuster, M.; Portale, G.; Mendil-Jakani, H.; Gebel, G.; Maier, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 3305
54. Schuster, M.; de Araujo, C. C.; Atanasov, V.; Andersen, H. T.; Kreuer, K. D.; Maier, J. Macromolecules 2009, 42, 3129
55. Si, K.; Dong, Dong, D.; Wycisk, R.; Litt, M. J. Mater. Chem. 2012, 22, 20907
56. Shi, Z. Q.; Holdcroft, S. Macromolecules 2005, 38, 4193
57. Ghassemi, H.; McGrath, J. E.; Zawodzinski, T. A. Polymer 2006, 47, 4132
58. Bae, B.; Yoda, T..; Miyatake, K.; Uchida, H.; Watanabe, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 317
59. Titvinidze, G.; Kreuer, K. D.; Schuster, M.; de Araujo, C. C.; Melchior, J.; Meyer, W. H. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 4456
60. Takamuku, S.; Jannasch, P. Macromol. Rapid Commun. 2011, 32, 474
61. Atanasov, V.; Buerger, M.; Wohlfarth, A.; Maier, J. Polym. Bull. 2012, 68, 317
62. Hamrock, S. J.; Herring, A. M. Proton Exchange Membrane Fuel Cells. In Fuel Cells; Kreuer, K. D., Ed.; Springer: 2013; Chapter 17, pp 577-606.
63. Takamuku, S.; Jannasch, P. Patent Application SE1300225-8
64. Takamuku, S.; Jannasch, P. Polym. Chem. 2012, 3, 1202
65. Robertson, N. J.; Kostalik, H. A.; Clark, T. J.; Mutolo, P. F.; Abruna, H. D.; Coates, G. W. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 3400
66. Marino, M.; Melchior, J. P.; Wohlfarth, A.; Kreuer, K. D. J. Membr. Sci. 2013, submitted
67. Mamlouk, M.; Horsfall, J.; Williams, C.; Scott, K. Int. J. Hydrogen Energy 2012, 37, 11912
68. Bauer, B.; Strathmann, H.; Effenberger, F. Desalination 1990, 79, 125
69. Noonan, K. J. T.; Hugar, K. M.; Kostalik, H. A.; Lobkovsky, E. B.; Abruna, H. D.; Coates, G. W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18161
70. Henkensmeier, D.; Cho, H.-R.; Kim, H.-J.; Kirchner, C. N.; Leppin, J.; Dyck, A.; Jang, J. H.; Cho, E.; Nam, S.-W.; Lim, T.-H. Polym. Degrad. Stab. 2012, 97, 264
71. Tomoi, M.; Yamaguchi, K.; Ando, R.; Kantake, Y.; Aosaki, Y.; Kubota, H. J. Appl. Polym. Sci. 1997, 64, 1161
72. Qiu, B.; Lin, B.; Qiu, L.; Yan, F. J. Mater. Chem. 2012, 22, 1040
73. Hibbs, M. R. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2012, 10.1002/polb.23149
74. Chen, D.; Hickner, M. A. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 5775
75. Deavin, O. I.; Murphy, S.; Ong, A. L.; Poynton, S. D.; Zeng, R.; Herman, H.; Varcoe, J. R. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 8584
76. Schwesinger, R.; Link, R.; Wenzl, P.; Kossek, S.; Keller, M. Chem.-Eur. J. 2006, 12, 429
77. Inaba, M.; Matsui, Y.; Saito, M.; Tasaka, A.; Fukuta, K.; Watanabe, S.; Yanagi, H. Electrochemistry 2011, 79, 322-325
78. Couture, G.; Alaaeddine, A.; Boschet, F.; Ameduri, B. Prog. Polym. Sci. 2011, 36, 1521
79. Merle, G.; Wessling, M.; Nijmeijer, K. J. Membr. Sci. 2011, 377, 1
80. Slade, R. C. T.; Kizewski, J. P.; Poynton, S. D.; Zeng, R.; Varcoe, J. R. Alkaline Membrane Fuel Cells; In Fuel Cells; Kreuer, K. D., Ed.; Springer: 2013; Chapter 2, pp 9-29.
81. Munson, R. A. J. Phys. Chem. 1964, 68, 3374
82. Dippel, T.; Kreuer, K. D.; Lassègues, J. C.; Rodriguez, D. Solid State Ionics 1993, 61, 41
83. Vilciauskas, L.; Tuckerman, M. E.; Bester, G.; Paddison, S. J.; Kreuer, K. D. Nature Chem. 2012, 4, 461
84. Melchior, J. P.; In preparation.
85. Vilciauskas, L. Ph.D. Thesis. University of Stuttgart, Chemistry Department, 2012.
86. Molleo, M.; Schmidt, T. J.; Benicewicz, B. C. Polybenzimidazole Fuel Cell Technology. In Fuel Cells; Kreuer, K. D., Ed.; Springer: 2013; Chapter 13, pp 391-432.
87. Asensio, J. A.; Sanchez, E. M.; Gomez-Romero, P. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3210
88. Li, Q.; Jensen, J. O.; Savinell, R. F.; Bjerrum, N. J. Prog. Polym. Sci. 2009, 34, 449
89. Mader, J.; Xiao, L.; Schmidt, T. J.; Benicewicz, B. C. Adv. Polym. Sci. 2008, 216, 63
90. Gulledge, A. L.; Gu, B.; Benicewicz, B. C. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2012, 50, 306
91. Xiao, L.; Zhang, H.; Scanlon, E.; Ramanathan, L. S.; Choe, E. W.; Rogers, D.; Apple, T.; Benicewicz, B. C. Chem. Mater. 2005, 17, 5328
92. Vilciauskas, L.; Tuckerman, M. E.; Melchior, J. P.; Bester, G.; Kreuer, K. D. Solid State Ionics 2013, 10.1016/j.ssi.2013.07.003
93. Weber, J.; Kreuer, K. D.; Maier, J.; Thomas, A. Adv. Mater. 2008, 20, 2595
94. Boysen, D. A.; Uda, T.; Chisholm, C. R. I.; Haile, S. M. Science 2004, 303, 68
95. Ponce de León, C.; Frías-Ferrer, A.; González- García, J.; Szánto, D. A.; Walsh, F. C. J. Power Sources 2006, 160, 716
96. Zaffou, Z.; Li, W. N.; Perry, M. L. In Polymers for Energy Storage and Delivery: Polyelectrolytes for Batteries and Fuel Cells; ACS Symposium Series; Page, K. A.; Soles, C. L.; Runt, J., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC, 2012; Vol. 1096, Chapter 7, pp 107-127.
97. Ding, C.; Zhang, H.; Li, X.; Liu, T.; Xing, F. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1281
98. Donnan, F. G. Z. Elektrochem. Angew. Physikal. Chem. 1911, 17, 572
99. Paddison, S. J.; Bender, G.; Kreuer, K. D.; Nicoloso, N.; Zawodzinski, T. J. New Mater. Electrochem. Syst. 2000, 3, 291
100. Teeters, D.; Frech, R. Solid State Ionics 1986, 271, 18
101. Albinsson, I.; Jacobsson, P.; Mellander, B. E.; Stevens, J. R. Solid State Ionics 1992, 53-56, 1044
102. Arumugam, S.; Shi, J.; Tunstall, D. P.; Vincent, C. A. J. Phys.: Condens. Matter 1993, 5, 153
103. Boden, N.; Leng, S. A.; Ward, I. M. Solid State Ionics 1991, 45, 261
104. Fenton, D. E.; Parker, J. M.; Wright, P. V. Polymer 1973, 14, 589
105. Armand, M.; Chabagno, J. M.; Duclot, M. In Fast Ion Transport in Solids; Vashishta, P., Ed.; North Holland: New York, 1979; p 131.
106. Armand, M. Adv. Mater. 1990, 2, 278
107. Evans, J.; Vincent, C. A.; Bruce, P. G. Polymer 1987, 28, 2324
108. Stolwijk, N. A.; Obeidi, S. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 125901
109. Meyer, W. H. Adv. Mater. 1998, 10, 439
110. Kunze, M.; Karatas, Y.; Wiemhöfer, H. D.; Schönhoff, M. Macromolecules 2012, 45, 8328
111. Kreuer, K. D.; Wohlfarth, A.; de Araujo, C. C.; Fuchs, A.; Maier, J. ChemPhysChem 2011, 12, 2558
112. Smiatek, J.; Wohlfarth, A.; Holm, C. New J. Phys. (NJP) 2013, submitted
113. Maier, J. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 1448
114. Chen, Y.; Freunberger, S. A.; Peng, Z.; Barde, F.; Bruce, P. G. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7952
115. Bouchet, R.; Maria, S.; Meziane, R.; Aboulaich, A.; Lienafa, L.; Bonnet, J. P.; Armand, M. Nat. Mater. 2013, 12, 452
116. Marcus, Y.; Hefter, G. Chem. Rev. 2006, 106, 4585
117. Bogle, X. S.; Vazquez, R.; Greenbaum, S.; Cresce, A. V. W.; Xu, K. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1664
118. Gores, H. J.; Barthel, J.; Zugmann, S.; Moosbauer, D.; Amereller, M.; Hartl, R.; Maurer, A. Liquid Nonaqueous Electrolytes. In Handbook of Battery Materials, 2 nd ed.; Daniel, C., Besenhard, J. O., Eds.; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany, 2011.