Design and Development of Novel Functionalized PIMA Based Polymers for High-Performance Aqueous Organic Redox Flow Batteries. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Design and Development of Novel Functionalized PIMA (my thesis)3.pdf Restricted to Repository staff only until 31 December 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

تُعَدّ بطاريات التدفق المائية العضوية للاختزال والأكسدة من أكثر تقنيات تخزين الطاقة وعدًا للتطبيقات الواسعة النطاق، نظرًا لكفاءتها العالية في دورة الشحن والتفريغ، وطول عمرها التشغيلي، وإمكانية فصل القدرة عن السعة التخزينية للطاقة. ومع ذلك، لا تزال معظم الإلكترولايتات العضوية تعاني من محدودية الذوبانية، وعدم الاستقرار الكيميائي، وتسرب المواد الفعالة عبر أغشية تبادل الأيونات، مما يحدّ من أدائها على المدى الطويل. في هذا البحث تم تطوير إلكترولايتات بوليمرية جديدة مشتقة من بولي (إيزوبيوتيلين-ألترنات ماليك أنهيدرايد) (PIMA) لمعالجة هذه التحديات. جرى تحضير أربع مشتقات أولية هي PPIMA، PSPIMA، PCNPIMA، وPAPIMA من خلال تفاعل الأميدة متبوعًا بعمليات كواترننة أو أَسْيَلَة موجّهة، بهدف إدخال مجموعات جانبية فعّالة كهروكيميائيًا ومحبة للماء لتحسين التوافق المائي وكفاءة النقل الأيوني مع الحفاظ على ثبات الأكسدة والاختزال. أظهرت هذه البوليمرات سعات تفريغ تراوحت بين 96 و119 ملي أمبير ساعة لكل غرام، مع علاقة واضحة بين الأداء وطبيعة المجموعات الجانبية من حيث تأثيرها الإلكتروني والحجمي. كما بيّنت اختبارات الأداء وطبيعة المجموعات الجانبية من حيث تأثيرها الالكتروني والحجمي. كما بيّنت اختبارات الأداء عند اربع تيارت مختلفة (20, 40, 60 و 80 ملي أمبير) استقرارًا ممتازًا وكفاءة كولومبية مرتفعة، مما يعكس كفاءة انتقال الشحنات واستقرار النقل الأيوني داخل المصفوفة البوليمرية. وبناءً على هذه النتائج، تم تصميم بوليمر مزدوج الوظائف (PQAPIMA) يدمج بين موقع البيكوليل أمين النشط كهروكيميائيًا ووحدة الأمونيوم الرباعية المحبة للماء ضمن سلسلة بوليمرية واحدة. وقد أسهم هذا التصميم المبتكر في رفع سعة التفريغ إلى نحو 140 ملي أمبير ساعة لكل غرام مع الحفاظ على كفاءة كولومبية تتجاوز 90% عند جميع كثافات التيار المختبرة، إلى جانب استقرار ممتاز خلال 500 دورة عند 100 ملي أمبير، مما يؤكد كفاءته وثباته تحت ظروف التشغيل القاسية. تُظهر هذه النتائج تطورًا تدريجيًا وواضحًا من بوليمرات PIMA أحادية الوظيفة إلى تصميم بوليمري مزدوج أكثر تقدّمًا، وتؤكد أن الإلكترولايتات البوليمرية الجديدة تمثل توجهًا واعدًا نحو تطوير بطاريات التدفق المائية العضوية للاختزال والأكسدة ذات كفاءة عالية واستقرار طويل الأمد وقابلية كبيرة للتطبيق العملي.

English Abstract

Aqueous redox flow batteries (ARFBs) have emerged as highly promising candidates for large-scale energy storage due to their high round-trip efficiency, long cycling stability, and independent power-to-energy scalability. Nevertheless, most organic electrolytes still suffer from limited solubility, chemical degradation, and undesired crossover through ion-exchange membranes, restricting their long-term applicability. This thesis presents the molecular design and systematic evolution of novel derivative-modified polymer electrolytes based on poly(isobutylene-alt-maleic anhydride) (PIMA) to overcome these limitations. Four single-functional polymers (PPIMA, PSPIMA, PCNPIMA, and PAPIMA) were synthesized via amidation followed by targeted quaternization or acylation reactions, introducing tunable redox-active and hydrophilic moieties. These modifications enhanced aqueous compatibility and ionic mobility while preserving redox reversibility. Electrochemical characterization revealed discharge capacities ranging from 96 to 119 mAh g⁻¹, directly correlating with the electronic and steric characteristics of the pendant groups. Rate-performance tests conducted at four current densities (20, 40, 60, and 80 mA) demonstrated stable operation and high coulombic efficiency, confirming efficient charge transfer and ion-transport stability within the polymeric matrices. Building upon these findings, a dual-unit polymer (PQAPIMA) was rationally engineered by incorporating both redox-active picolylamine and water-affinitive quaternary-ammonium units into a single PIMA backbone. This integrated design substantially enhanced the discharge capacity to approximately 140 mAh g⁻¹ while maintaining >90% coulombic efficiency across all tested current densities. The polymer further exhibited remarkable cycling stability for 500 continuous cycles at 100 mA, emphasizing its robustness under demanding operating conditions. Overall, this work establishes a progressive structure–function relationship from single-unit to dual-unit PIMA derivatives, highlighting the potential of novel polymeric electrolytes as durable, efficient, and scalable materials for next-generation aqueous organic redox flow batteries.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Khan, Majad
Committee Co-Advisor:	Mansha, Muhammad
Committee Members:	Tahir, Muhammad
Depositing User:	NESREEN ALMADANI (g202310010)
Date Deposited:	04 Jan 2026 12:15
Last Modified:	04 Jan 2026 12:15
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143968