Investigation of polymeric membranes in Vanadium flow battery system applications

The master thesis has been developed at Solvay Specialty Polymers in Bollate, Milan, in the framework of flow battery technologies. This project aimed that developing vanadium redox flow battery with an appropriate design perspective in order to measure the membranes for the vanadium redox flow battery under research and development department of alternative energy. In alternative energy system, storage is quite important in order to prevent their intermittent production ranges. Redox flow batteries are one of the best options to store energy. From many alternatives, Vanadium redox flow battery takes most attention due to its high energy density level and having four different oxidation states enable to use them in both positive and negative tanks. Therefore, many materials are developed for extending the battery performances. Stack cell of the vanadium redox flow battery consist of different materials such as electrodes, electrolytes, membranes and end plates. Each component have different mission. However, membrane has the most important component in the battery especially economical and chemical point of view. Therefore, in the scope of Solvay, stack cell is designed and membrane of the Solvay products are tested with consequences of the experimental modes, open circuit voltage, polarization curve, cell performances are monitored with potentiostat 857. Their electrochemical results are supported with characterization analysis such as scanning electron microscope, proton conductivity, and chemical degradation. All the results are interpreted in order to define the ideal membrane properties. This thesis work starts a new task for developing of membrane in vanadium redox flow battery applications by identifying its critical parameters and obstacles for further projects.

La tesi di laurea, svolta presso Solvay Specialty Polymers S.p.a. a Bollate (Milano), si inserisce nel campo delle tecnologie delle batterie di flusso. Questo lavoro mira a sviluppare batterie redox al Vanadio con un’idea di progettazione mirata a misurare le membrane di tali batterie presso il settore di ricerca e sviluppo del dipartimento di energie alternative. In un sistema energetico alternativo, l’immagazzinamento di energia è molto importante al fine di evitare che la produzione sia intermittente. Le batterie redox al Vanadio costituiscono una delle migliori scelte per immagazzinare energia grazie al suo alto livello di densità energetica e alla presenza di quattro diversi stati di ossidazioni usufruibili sia in tanks positivi che negativi. Pertanto, diversi tipi di materiali sono stati studiati e sviluppati per migliorare le prestazioni della batteria. Le celle di tali batterie sono costituite da diversi elementi (elettrodi, elettroliti, membrane e piastre terminali), ciascuno con un diverso e preciso compito. Tuttavia, la membrana è l’elemento più importante nella batteria, specialmente per quanto riguarda la chimica e il valore economico del prodotto finale. Pertanto, nell’ambito della Solvay, è stato progettato un accumulatore la cui membrana, scelta tra i prodotti dell’azienda, è stata testata sperimentalmente con diverse tecniche per caratterizzare la tensione di circuito aperto, le curve di polarizzazione e le prestazioni finali della batteria per mezzo di un potentiostat 857. I dati elettrochimici ottenuti sono stati accompagnati da altre analisi eseguite, tra cui il microscopio elettronico a scansione, misura della conducibilità protonica e test di degradazione chimica i risultati ottenuti sono stati analizzati e studiati per definire e sviluppare le proprietà di una membrana ideale. In conclusione, questo lavoro di tesi pone le basi per lo sviluppo e l’applicazione di membrane per batterie di flusso al Vanadio, identificando i parametri critici ed eventuali ostacoli per altri progetti futuri.