Design and optimization of zinc-air rechargeable flow battery

Due to the limitations of present technologies, there is a demand for cost effective chemical energy storage for large grid-scale applications. One promising example in development is the zinc-air flow battery. This could prove to be a key technology in ensuring energy security, high specific capacity, low cost, and easy scalability of renewable generation. These devices, however, are still far from commercialization and the zinc-air flow battery chemistry still requires significant development. Components of a zinc-air flow battery are designed and optimised and novel procedures for the fabrication of catalysts suitable as a bifunctional oxygen electrodes in alkaline secondary batteries are studied. Manganese oxides and Fe-Ni oxyhydroxide catalysts deposited on a porous nickel mesh substrate are utilised as an alternative to precious metals. Rapid screening of air-electrodes in a custom electrochemical laboratory scale half-cell have been carried out. Different polymeric membranes are synthesized, and their electrical conductivity measured with electrochemical impedance spectroscopy. Membranes and electrodes are incorporated into a prototype design of zinc-air flow battery which will act as a preliminary design for future larger scale up. Electrodes up to 25 cm2 have be cycled for > 1 week operation at ≤ 20 mA/cm2 achieving a voltaic efficiency > 58% and a potential gap of 0.78 V. Optimal operating conditions were selected through a trade-off between many factors including durability/life cycle, electrochemical performance, and electrode manufacturing methods/costs.

A causa dei limiti delle tecnologie attualmente utilizzate, vi è un’elevata domanda sul mercato per nuovi sistemi di stoccaggio di energia chimica per applicazioni su larga scala. Una delle tecnologie più promettenti in via di sviluppo è la batteria di flusso zinco-aria. Questo sistema di accumulo, infatti, potrebbe rivelarsi una tecnologia chiave per garantire sicurezza energetica, elevata capacità specifica, basso costo e facile scalabilità. Tuttavia, questa tecnologia è ancora lontana ad una possibile commercializzazione in quando la chimica della batteria zinco-aria è ancora in fase di sviluppo. Lo scopo di questa tesi è quello di ottimizzare il design e le componenti di una batteria zinco-aria e di studiare nuove soluzioni per la fabbricazione di catalizzatori adatti a svolgere la funzione di elettrodo per le reazioni dell’ossigeno nelle batterie secondarie alcaline. In particolare, come alternativa ai metalli preziosi comunemente utilizzati, sono stati studiati ossidi di manganese e ossidrossidi di Fe-Ni depositati su un substrato a rete di nichel poroso. Gli elettrodi ad aria sono stati testati dunque in una semicella in laboratorio. Successivamente, sono state sintetizzate diverse membrane polimeriche e ne è stata misurata la conducibilità elettrica con un’analisi di spettroscopia ad impedenza elettrochimica. Le membrane e gli elettrodi studiati sono stati dunque incorporati in una cella di proporzioni maggiori. Questo prototipo di batteria di flusso zinco-aria costituisce un design preliminare per un successivo futuro aumento di scala. Infine, gli elettrodi di 25 cm2 sono stati sottoposti a cicli durati più di una settimana a densità di correnti ≤ 20 mA/cm2 raggiungendo un'efficienza voltaica > 58% e un gap di potenziale di 0.78 V. Le condizioni operative ottimali sono state selezionate attraverso un compromesso tra i molti fattori in gioco, tra cui durata/ciclo di vita, prestazioni elettrochimiche e metodi/costi di produzione degli elettrodi.