Rechargeable flow batteries beyond vanadium chemistry

The increasing attention towards a sustainable energy economy is pushing scientific and technological world to study and develop energy storage systems, with sufficiently high performances to guarantee a complete transition towards green energy production and a consequently affordable and resilient electrical grid. Even though the energy production from renewable energy sources is greatly increased during the last years, their only employment is not sufficient to satisfy the overall electrical energy demand due to their intermittence availability and power production. Therefore, in order to overcome the mismatch between energy generation and demand, the integration of energy storage systems in the production to consumption path is an urgent need. Among all the electrochemical energy storage systems, rechargeable flow batteries (RFBs) are one of the most promising candidates due to their high flexibility in installation, enabling the possibility to use this technology anywhere, especially near to highly densely populated areas, in applications ranging from few kWh up to MWh. Moreover, due to its high energy-to-power (E/P) ratio and low capital cost - compared to classical static batteries - this technology could be easily integrated with renewable power plants as long duration energy storage system, allowing a substantial increase in the capacity of renewables installation and their penetration in the electricity market. Unfortunately, RFBs nowadays available on the market, i.e. vanadium and zinc-bromine RFBs, are based on expensive or toxic materials, limiting their capillary diffusion and penetration. In this context, during this thesis project, the research activity was focused on the development of rechargeable flow batteries beyond vanadium and bromine chemistries, paying special attention to the selection of earth-abundant and low-cost materials to be used as electroactive species for the devices’ development.

La crescente attenzione verso un’economia energetica sostenibile sta spingendo il mondo scientifico e tecnologico a studiare e sviluppare sistemi di accumulo energetico in grado di promuovere e garantire una completa transizione energetica a impatto zero. Sebbene la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili sia sostanzialmente cresciuta negli ultimi anni, il solo utilizzo di tali fonti energetiche non è sufficiente a soddisfare il fabbisogno energetico a causa della loro intrinseca disponibilità ad intermittenza, corrispondente quindi ad una produzione energetica discontinua. In uno scenario di utilizzo crescente delle fonti rinnovabili per la produzione energetica, l’integrazione di sistemi di accumulo in grado di garantire una distribuzione continuativa dell’energia elettrica agli utilizzatori finali è fondamentale. Tra le tecnologie elettrochimiche ad oggi disponibili, le batterie a celle di flusso (RFBs) rappresentano una valida alternativa grazie alla loro elevata flessibilità di installazione, il basso costo e la possibilità di ottenere elevati rapporti energia su potenza. Queste caratteristiche peculiari rendono le RFBs particolarmente adatte all’integrazione con impianti di produzione da fonti rinnovabili, specialmente per accumulo energetico a lunga durata. Sfortunatamente, le batterie a celle di flusso ad oggi presenti sul mercato, principalmente a base vanadio o zinco-bromo, utilizzano elementi costosi o tossici che ne limitano la diffusione sul mercato. In questo panorama, l’attività di ricerca svolta durante il percorso di dottorato è stata principalmente focalizzata sullo sviluppo e l’ottimizzazione di batterie a celle di flusso con chimiche alternative, ponendo particolare attenzione alla selezione di materie prime abbondanti e a basso costo, con l’obiettivo di ridurre l’impatto ambientale della tecnologia e garantirne potenzialmente una vasta penetrazione sul mercato.