Zinc-iron redox battery based on semi-solid electrolytes

Nowadays, batteries have an essential role in everyday life but, while being extremely consolidated, still the scientific community is searching for new solutions and alternatives to solve the issues of the already existing technologies. The aim of this work is the development of a new type of battery suitable for the substitution of the widely used liquid electrolytes systems. Due to its similarity with both the traditional batteries and the more recent redox flow batteries, the system has been called Semi-Solid Redox Battery, where a semi-solid electrolyte is introduced instead of a liquid one. Moving toward a gel like electrolyte system will improve safety and reduce leakages issues, no more thermal runaway and improved solubility of ions with the possibility to reach high energy densities. The work will develop semi-solid polymeric based electrolytes containing zinc and iron ions on one hand and a semi-solid polymeric based acid separator on the other. The cyclability of the system will then be tested to verify its actual operation. The use of Zinc and Iron, non-toxic and cheap elements, is proposed as alternative with respect to the limited and difficult to handle elements like Li, Co, Ni, Pb used in traditional batteries.

Le batterie hanno oggi un ruolo essenziale nella nostra società ma, pur essendo estremamente consolidate, la comunità scientifica è ancora alla ricerca di nuove soluzioni e alternative per risolvere i problemi della tecnologia già esistente. In questo lavoro di tesi verrà sviluppato un nuovo tipo di batteria che punta a sostituire gli elettroliti liquidi tradizionalmente utilizzati. Si chiama Semi-Solid Redox Battery poiché presenta alcune somiglianze sia con le batterie tradizionali che con le più recenti batterie redox a flusso ma utilizza elettroliti semi-solidi. I vantaggi del passaggio ad un elettrolita a base gel includono una maggiore sicurezza e fuoriuscite ridotte, nessun problema di dipendenza dalla temperatura e di thermal runaway e una migliorata solubilità degli ioni con la possibilità di raggiungere densità di energia elevate. Il lavoro prevede dunque, più precisamente, da un lato lo sviluppo di elettroliti semi-solidi polimerici contenenti ioni di zinco e ferro e dall’altro di una membrana semi-solida acida polimerica. Verrà infine testata la ciclabilità del sistema per verificare il suo effettivo funzionamento. L'uso di elementi non tossici ed economici di zinco e ferro viene proposto come alternativa rispetto agli elementi come Li, Co, Ni, Pb utilizzati nelle batterie tradizionali, elementi rari o tossici e che richiedono particolari precauzioni.