Innovative selective layer for vanadium redox flow battery via ultrasonic spray coating : analysis of ink composition and deposition parameters

The significant increase in energy production from renewable sources in recent years makes storage systems increasingly necessary to ensure a stable connection between the production plant and the electricity grid. In this context, vanadium redox flow batteries represent a promising solution for stationary energy storage. However, their diffusion and commercialization are significantly limited by high capital costs and some technological constraints that limit their energy density and performance compared to batteries already on the market. The main problem is the cross-over of vanadium ions through the membrane, which causes electrolyte imbalance and battery self-discharge. To compensate for this commercially, the use of thicker separators is required to limit the capacity loss, but this is associated with an increase in the internal resistance of the cell and a significant increase in cost, making the technology uncompetitive in the market. The thesis presents the results of tests carried out in the MRT Fuel Cell & Battery Laboratory, investigating the operation of an innovative selective layer, called "barrier", fabricated on a thinner membrane by Ultrasonic Spray Coating. The main topics of this thesis are the analysis of the ink composition and the deposition parameters. In particular, the experimental campaign was conducted through tests of charge and discharge cycles with fixed cut-off voltage, EIS and ICP-OES, while the morphological characterization was deepened by SEM images.

Il notevole aumento negli ultimi anni di produzione di energia da fonti rinnovabili rende i sistemi di accumulo sempre più necessari per garantire una connessione stabile tra l’impianto di produzione e la rete elettrica. Le batterie a flusso di vanadio, in questo contesto, rappresentano una promettente soluzione per lo stoccaggio di energia stazionaria. La sua diffusione e commercializzazione però è notevolmente limitata dagli alti costi di capitale e da alcune limitazioni tecnologiche che ne limitano la densità energetica e la potenza rispetto alle batterie già presenti sul mercato. In particolare, la maggiore problematica è rappresentata dal cross-over degli ioni di vanadio attraverso la membrana, che provoca lo squilibrio dell’elettrolita e l’auto-scarica della batteria. Per sopperire a ciò, a livello commerciale, è necessario l’utilizzo di separatori più spessi affinché la perdita di capacità venga limitata, comportando però un aumento della resistenza interna della cella e un notevole aumento dei costi, rendendo la tecnologia non competitiva sul mercato. Nella tesi di laurea verranno presentati i risultati dei test svolti all’interno del laboratorio MRT Fuel Cell and Battery nel quale è stato studiato il funzionamento di un innovativo strato selettivo realizzato su una membrana più sottile, mediante Ultrasoni Spary Coating, denominato “barriera”. Le principali tematiche approfondite in questo lavoro di tesi sono l’analisi della composizione dell’inchiostro e dei parametri di deposizione. La campagna sperimentale, in particolare, è stata condotta attraverso test di cicli di carica e scarica con fissa tensione di cut-off, EIS e ICP-OES, mentre la caratterizzazione morfologica è stata approfondita attraverso immagini SEM.