Turbostratic Carbon Nano Onion for high power density vanadium flow battery

The advancement of renewable energy integration into the electric grid necessitates the development of efficient energy storage systems. Among various technologies, Vanadium Redox Flow Batteries (VRFB) emerge as a promising solution. However, VRFB's widespread adoption is hindered by limitations in current and power density, primarily due to suboptimal electrode performance. This study introduces a novel electrode, fabricated using a proprietary method called “NanoJeD,” that significantly enhances VRFB power density. By depositing carbon nanoparticles on a carbon paper substrate and applying a vacuum thermal treatment, we create an electrode characterized by a high surface area (>300 m2 g-1) and enhanced defectiveness, leading to a turbostratic carbon nano-onion structure. This electrode demonstrates a marked improvement in catalytic activity towards the V2+/V3+ reaction, achieving a power density of 516 mW cm-2 at 50% state of charge (SOC); a significant increase over traditional carbon paper electrodes. Furthermore, when utilized in VRFB, the electrode maintains an energy efficiency of 80% at 300 mA cm-2 over extended cycles, with a minimal efficiency decline of 0.004% per cycle, suggesting a lifespan exceeding 10 years. Post-mortem analysis reveals insights into performance degradation mechanisms. Additionally, a rapid thermal annealing (RTA) process was developed to mitigate the production bottleneck associated with annealing, offering a pathway to optimize annealing temperatures and plasma power for superior electrochemical performance. This work not only highlights a significant leap in VRFB electrode design but also proposes a scalable production process, paving the way for broader adoption of VRFB in energy storage applications.

Il rapido sviluppo e l'implementazione delle energie rinnovabili per l'alimentazione della rete elettrica devono essere accompagnati dall'adozione di un sistema di accumulo dell'energia. Tra le diverse tecnologie per l'accumulo di energia, le batterie a flusso di Vanadium Redox (VRFB) sono tra le più promettenti. Tuttavia, una delle maggiori sfide per l'implementazione di questa tecnologia risiede nella bassa densità di corrente e di potenza. La densità di potenza è generalmente attribuita alle prestazioni degli elettrodi. In questo lavoro vengono presentati gli ultimi progressi nella produzione di un elettrodo con un'elevata area superficiale e un'alta difettosità che promette di migliorare la densità di potenza delle VRFB. Questo elettrodo è prodotto con un metodo di deposizione brevettato chiamato "NanoJeD", depositando su un substrato di carbon paper nanoparticelle di carbonio. L'elettrodo prodotto viene sottoposto a un trattamento termico sotto vuoto per aumentarne la conduttività e per la formazione del cosiddetto "Turbostratic Carbon nano onion". L'elettrodo risultante mostra un'area superficiale superiore a 300 m2 g-1 e una maggiore attività catalitica nei confronti della reazione V2+/V3+. Le curve di polarizzazione di un VRFB a uno stato di carica (SOC) del 50% hanno mostrato una densità di potenza di 516 mW cm-2, nettamente migliore rispetto all'elettrodo di carta di carbonio senza TCNO. Ciclando una cella VRFB con l'elettrodo TCNO, si ottiene un'efficienza energetica dell' 80 % a 300 mA cm-2 e il test dei cicli di lunga durata ha mostrato una diminuzione dell'efficienza energetica dello 0,004 % per ciclo, consentendo l'adozione di questo elettrodo per più di 10 anni. L'analisi post mortem è stata eseguita sull'elettrodo sottoposto a cicli per valutare la natura della perdita di prestazioni. Alla fine, è stato sviluppato un nuovo trattamento termico chiamato "RTA" per abbreviare il processo di ricottura, poiché è risultato essere il collo di bottiglia dell'intero processo di produzione degli elettrodi. Sono state analizzate diverse temperature di ricottura e potenze del plasma per determinare il punto di forza per migliorare ulteriormente le prestazioni elettrochimiche.