Design and scale-up via ultrasonic spray coating of an innovative selective layer for vanadium redox flow batteries

The increasing production of energy from renewable sources makes energy storage system increasingly necessary due to their ability to stabilize the grid decoupling the availability and the dispatch of energy. Vanadium Redox Flow Batteries represent one of the most promising choices for stationary applications. However, some technical issues limit their commercialization. In order to mitigate cross-over phenomena, thick separators are employed in commercial applications, limiting the efficiency of the battery and increasing the system costs. In previous works an innovative selective layer able to mitigate cross-over phenomena and to reduce the cost of the technology was developed. Despite the promising results, the manufacturing process presented uncertainties related to the scalability and reproducibilty at commercial scale, therefore in this work the possibility of designing and developing the selective layer through Ultrasonic Spray Coating, a commercial and scalable technique, is investigated to enable the production of the layer also at commercial scale. In the first part of the thesis the effect of the ink composition and process parameters on the morphology of the layer was investigated on a 2x2 cm2 cell, with the aim to increase the selectivity towards vanadium ions. After that, the ability of the barrier layer to mitigate cross-over also at 5x5 cm2 scale was studied, pointing out the differences between the 2x2 and 5x5 cm2 scales and comparing the results with barriers produced in previous works with Reactive Spray Deposition Technique. Finally, on a 100 cm2 cell, the cross-over mitigation was studied on a commercial scale barrier, comparing the capacity loss with the reference values in literature. The experimental investigation was conducted through diffusion tests, charge-discharge cycles with fixed exchanged capacity and EIS tests. A morphological characterization was performed through SEM images. Moreover, charge-discharge cycles with cut-off voltages was performed on the 100 cm2 cell to allow a better comparison with the literature.

L'aumento di produzione di energia da fonti rinnovabili rende sempre più necessari i sistemi di accumulo a causa della loro abilità di stabilizzare la rete, disaccoppiando la disponibilità delle fonti energetiche e il dispaccio di energia elettrica. Le batterie a flusso di vanadio rappresentano una delle più promettenti tecnologie di accumulo; tuttavia, alcuni problemi tecnici limitano la loro commercializzazione. Per limitare i fenomeni di cross-over separatori con spessori elevati sono commercialmente utilizzati, diminuendo l'efficienza del sistema e aumentandone i costi. In studi precedenti è stato sviluppato un innovativo strato selettivo capace di limitare il fenomeno di cross-over e ridurre i costi del sistema. Nonostante i risultati promettenti il processo di produzione ha presentato dei limiti riguardanti la scalabilità e la riproducibilità su scala commerciale. Questa tesi si concentra sullo sviluppo dello strato selettivo attraverso l’Ultrasonic Spray Coating, una tecnica di produzione commerciale e scalabile che può permettere la produzione dello strato selettivo anche su scala commerciale. Nella prima parte della tesi si indaga l’effetto della composizione dell’inchiostro usato nel processo di produzione e di alcuni parametri di processo sulla morfologia e selettività dello strato innovativo utilizzando celle di scala 2x2 cm2. In seguito, l'abilità di mitigare il fenomeno di cross-over è stata studiata anche su una cella di 5x5 cm2, evidenziando le differenze tra le scale di 2x2 e 5x5 cm2 e comparando i risultati con le barriere prodotte precedentemente con la Reactive Spray Deposition Technique. Infine, utilizzando una cella di area 100 cm2, la capacità di mitigare il cross-over è stata studiata anche su scala commerciale. La campagna sperimentale è stata condotta attraverso test di diffusione, cicli di carica e scarica con fissa capacità scambiata, EIS e la caratterizzazione morfologica attraverso immagini SEM. Inoltre, cicli di carica e scarica con tensioni di cut-off sono stati eseguiti sulla cella di 100 cm2 per permettere un miglior confronto con i valori della letteratura.