Experimental and model based study of cross over phenomena aimed at the design and development of an innovative selective layer for vanadium redox flow battery

The commercialization of the Vanadium Redox Flow Battery technology, a promising solution for stationary energy storage, is slowed down by high capital costs, consequence of technological issues that limit power and energy density. One of these issues is vanadium cross-over through the battery separator that causes battery self-discharge and electrolytes imbalance, forcing battery manufacturers to employ thick membranes, which increase the cost of the system and limit the power density of the battery due to high potential loss across the membrane. In this Ph.D. dissertation cross-over phenomena are investigated through an ad-hoc defined experimental methodology supported by a modelling analysis of the battery operations for evaluating cross-over fluxes and their transport mechanisms. The experimental and model-based study of cross-over phenomena aided the design of the barrier, an innovative selective layer manufactured through Reactive Spray Deposition Technology, a flame-based spray synthesis process. The barrier proved to improve the selectivity of thin membranes, reducing the self-discharge of the battery without hindering the efficiency and with a potential reduction of stack specific costs up to 33%. Finally, Ultrasonic Spray Coating was investigated as alternative manufacturing technique for the barrier to ensure the scalability and the reproducibility of the barrier at commercial scale.

La commercializzazione della tecnologia Batterie a Flusso di Vanadio, una promettente soluzione per l'accumulo di energia in applicazione stazionarie, è rallentata dagli elevati costi di sistema, dovuti a problematiche tecnologiche che limitano la densità di energia e di potenza. Una di queste problematiche è il cross-over di ioni vanadio attraverso il separatore della batteria che provoca l'auto-scarica della batteria e lo sbilanciamento degli elettroliti. Ciò costringe i produttori di batterie a utilizzare membrane con spessore elevato, che aumentano i costi del sistema e limitano la densità di potenza della batteria a causa di elevate perdite di potenziale attraverso la membrana. In questa tesi di dottorato i fenomeni di cross-over sono studiati attraverso una metodologia sperimentale definita ad hoc, supportata da un'analisi modellistica delle operazioni della batteria per la valutazione dei flussi di cross-over e dei loro meccanismi di trasporto. In seguito, lo studio sperimentale e modellistico dei fenomeni di cross-over è servito da supporto per la progettazione della Barriera, un innovativo strato selettivo prodotto tramite Reactive Spray Deposition Technology, un processo di sintesi spray a fiamma. Nel corso del lavoro è stata dimostrata l’abilità della Barriera di migliorare la selettività delle membrane sottili, riducendo l'auto-scarica della batteria senza peggiorarne l'efficienza e con una potenziale riduzione dei costi specifici dello stack fino al 33%. Infine, l’Ultrasonic Spray Coating è stato investigato come tecnica di fabbricazione alternativa per la Barriera al fine di garantirne la scalabilità e riproducibilità su scala commerciale.