Development of slurry-cast zinc anodes for hybrid membrane-less biphasic flow battery

This thesis explores the development of slurry-cast zinc anodes stabilized with Poly(vinylene carbonate)(PolyVC) for use in membrane-less hybrid redox flow batteries. These batteries employ aqueous biphasic water-in-salt (WIS) electrolytes. The electrolyte was formulated by adjusting the proportions of ZnCl2, LiTFSI, and H2O, with 0.1M ferrocenylmethyltrimethylammonium chloride (FcNCl) as the redox mediator. Zinc slurry anodes were prepared using doctor blade coating on copper substrates, resulting in uniform and reproducible films. Electrolyte characterization was performed using Raman spectroscopy and FTIR, revealing distinct solvation and bonding features. The stability of PolyVC as a binder was confirmed through zeta potential analysis, FTIR, and TGA. Electrochemical performance was tested in a SonyLab Sealed Electrolytic Cell using cyclic voltammetry. Clear anodic and cathodic peaks were observed for the Fc+/Fc redox couple and zinc plating/stripping, indicating good activity. Raman microscopy showed uniform morphology before cycling and revealed cracks and flaking after cycling, indicating interfacial instability. This work demonstrates the benefits of slurry-based zinc anodes, such as scalable fabrication and strong electrochemical performance. Challenges like adhesion and long-term stability remain, offering directions for future research. Overall, slurry-based zinc anodes show promise as alternatives to conventional foils in sustainable redox flow battery systems.

Questa tesi studia lo sviluppo di anodi di zinco colati in sospensione stabilizzati con polivinilcarbonato (PolyVC) da utilizzare in batterie ibride redox a flusso senza membrana che impiegano elettroliti bifasici acquosi acqua-in-sale (WIS). Le formulazioni degli elettroliti sono state sviluppate regolando le proporzioni relative di ZnCl2, LiTFSI, e H2O, con il sistema bifasico perfezionato, caratterizzato da 0,1 M di cloruro di ferrocene metil trimetil ammonio (FcNCI) che funge da mediatore redox. Gli anodi in zinco slurry sono stati fabbricati tramite rivestimento con racla su substrati di rame, producendo film omogenei e riproducibili con una distribuzione uniforme delle particelle di zinco. La caratterizzazione degli elettroliti è stata effettuata mediante spettroscopia Raman e tecniche FTIR, rivelando ambienti di solvatazione e interazioni di legame unici. La stabilità del PolyVC come legante per le dispersioni di sospensione di zinco è stata convalidata esaminando il potenziale zeta, FTIR e TGA. Le prestazioni sono state valutate in una cella elettrolitica sigillata SonyLab mediante voltammetria ciclica, che ha rivelato chiari picchi anodici e catodici corrispondenti alla coppia redox Fc+/Fc e alla zincatura/stripping, confermando l’efficace attività elettrochimica dell’anodo in sospensione, mentre la microscopia Raman ha ulteriormente mostrato una morfologia uniforme prima del ciclo e ha identificato crepe e sfaldature localizzate dopo il ciclo, evidenziando instabilità interfacciali. Questo lavoro evidenzia i vantaggi chiave degli anodi di zinco a base di slurry, tra cui la fabbricazione scalabile degli elettrodi, la forte attività elettrochimica e la compatibilità riproducibile con gli elettroliti. Tuttavia, permangono sfide quali l’adesione e la stabilità a lungo termine, che rappresentano opportunità per la ricerca futura. Questi risultati confermano gli anodi di zinco a base di slurry come una promettente alternativa alle lamine convenzionali e aprono nuove strade per il progresso delle tecnologie flessibili e sostenibili delle batterie redox a flusso.