Development of a zinc-air flow battery and optimization of its components

Metal-air batteries are a potential solution to the demand of large scale energy storage systems, mainly thanks to their high specific capacity, low cost and easy scalability. However, these devices are still far from commercialization as they are beset by several critical issues that must be solved in the first place. In this work the main shortcomings of zinc-air batteries are described and afterwards, some of their possible solutions are outlined. The aim of this study is to synthesize and optimize the components of a zinc-air flow battery, studying their behavior both individually and in a working device. Specifically, a manganese oxide catalyst for the oxygen reactions was deposited via electrodeposition on a porous nickel substrate and its performances were investigated by cyclic voltammetry. Afterwards, three different polymeric membranes were synthesized and their electric conductivity measured with electrochemical impedance spectroscopy. Then, the effects of several electrolyte additives were investigated with cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry. Finally, a zinc-air flow battery was assembled to verify the the improvements that the different components cause in the device.

Le batterie metallo-aria si presentano come potenziali soluzioni per l'accumulo di energia su larga scala, principalmente grazie alla loro alta capacità specifica, basso costo e facile adattabilità. Questi dispositivi sono tuttavia lungi dalla commercializzazione, poiché devono essere ancora superate alcune criticità che li contraddistinguono. In questo lavoro vengono descritti i principali problemi delle batterie zinco-aria, per i quali verranno presentate delle possibili soluzioni. L'obiettivo di questo studio è di sintetizzare ed ottimizzare i componenti di una batteria zinco-aria a flusso, studiandone il comportamento dapprima singolarmente e poi all'interno di un dispositivo. In particolare, un catalizzatore a base di manganese ossido per le reazioni dell'ossigeno è stato depositato mediante elettrodeposizione su un substrato di nickel poroso e le sue prestazioni sono state testate tramite ciclovoltammetria. Successivamente tre diversi separatori polimerici sono stati sintetizzati e la loro conducibilità è stata misurata mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica. Inoltre, gli effetti di diversi addittivi per l'elettrolita sono stati osservati tramite ciclovoltammetria e voltammetria a scansione lineare. Infine, una batteria zinco-aria a flusso è stata assemblata per verificare a livello pratico i miglioramenti che i diversi componenti apportano al dispositivo.