Zinc-iodide redox flow battery for next generation of solar energy storage

Abstract

La creixent demanda global de fonts d’energia renovables a la xarxa elèctrica va crear la necessitat d’introduir sistemes d’emmagatzematge d’energia a gran escala (ESS), bateries de flux redox (RFB). La bateria de flux redox de iodur de zinc (ZIFB) presenta un gran potencial per a ESS a gran escala d’alta densitat d’energia. No obstant això, el seu ús pràctic encara està limitat per la mala ciclabilitat, la baixa densitat de corrent i la pèrdua de capacitat, a causa del revestiment / decapament de Zn irreversible, la cinètica lenta de les reaccions redox. En aquest context, l’objectiu d’aquesta tesi és dissenyar un ZIFB amb la millora de la química de l’ànode i l’electròlit, centrant-se en densitats de corrent més baixes, apte per combinar amb un sistema fotovoltaic. Per assolir aquests objectius, la tesi s’estructura en 7 capítols principals. El capítol 1 presenta el context general, els antecedents i la motivació de la recerca sobre els RFB. El capítol 2 descriu la preparació dels materials, mètodes experimentals aplicats en aquesta tesi. Els capítols següents se centren en els principals resultats obtinguts, la part I se centra en les millores del rendiment electroquímic de ZIFB (Capítols 3–5). La part II (Capítols 6 i 7) se centra en la fotocàrrega imparcial dels RFB, començant des de la bateria de flux redox de vanadi (VRFB) fins al ZIFB, optimitzat a la part I. Al capítol 3, entre l’exploració de diferents ànodes carnàcies, es va trobar la làmina de grafit com el millor ànode optimitzat, que presentava una excel·lent eficiència global (~ 80%) com a resultat d’un revestiment / desmuntatge eficient de Zn. L’observació va afirmar que diversos factors influeixen en el revestiment / decapament eficient de Zn, com ara l’estructura física dels ànodes, la humectabilitat dels electròlits i la conductivitat elèctrica. Els capítols 4 i 5, estan dedicats a la millora de la química dels electròlits. Un problema important en el cicle de RFB és la migració d’aigua entre electròlits de mitja cèl·lula, que es va resoldre al capítol 4. Els resultats experimentals del model proposat d’equilibrar les concentracions molars d’electròlits van mostrar que ZIFB ciclada amb electròlit ajustat suprimia 1/3 de la migració de l’aigua, amb una excel·lent capacitat de descàrrega i la menor resistència ohmica de la cel·la. El capítol 5 se centra a millorar la vida del cicle de ZIFB utilitzant NaCl com a electròlit de suport. La presència d’ions Cl- va augmentar el rendiment del ZIFB amb 100 cicles estables i una retenció de capacitat del 77%, amb millores en la reversibilitat de les reaccions redox Zn/Zn2+ i I3-/I-. La formació del compost ZnCl4 soluble és el factor clau per a la millora de la reversibilitat redox Zn/Zn2+. La part II (Capítols 6 i 7) està dedicada a l’estudi a nivell de dispositiu per aconseguir una fotocàrrega imparcial dels RFB solars. El capítol 6 se centra en la integració de la cèl·lula fotovoltaica CIGS i VRFB. La fotocàrrega totalment imparcial va aconseguir una alta eficiència energètica (77%), una càrrega solar (7,5%) i una eficiència de conversió d’energia d’anada i tornada (5%). Tenint en compte els reptes restants d’aquesta configuració de VRFB solar, es va realitzar la integració entre el ZIFB optimitzat (de la part I) i una cèl·lula solar orgànica (OSC) feta de materials fotoabsorbents respectuosos amb el medi ambient al capítol 7. Gràcies a la tensió de càrrega (~ 1,3 V) d’OSC, alimentat amb ZIFB a diferència de VRFB (rang de tensió de càrrega: 1,4–1,7 V), el ZIFB es va carregar fins a un 22% només alimentat per OSC.

La creciente demanda mundial de fuentes de energía renovable en la red eléctrica creó la necesidad de introducir sistemas de almacenamiento de energía (ESS) a gran escala, baterías de flujo redox (RFB). La batería de flujo redox de yoduro de zinc (ZIFB) exhibe un gran potencial para ESS a gran escala de alta densidad de energía. Sin embargo, su uso práctico sigue estando limitado por la mala ciclabilidad, la baja densidad de corriente y la pérdida de capacidad, debido al recubrimiento/desprendimiento irreversible de Zn y la cinética lenta de las reacciones redox. En este contexto, el objetivo de esta tesis es diseñar un ZIFB con la mejora en la química del ánodo y el electrolito, centrándose en densidades de corriente más bajas, adecuado para combinar con el sistema fotovoltaico. Para lograr estos objetivos, la tesis se estructura en 7 capítulos principales. El Capítulo 1 presenta el contexto general, los antecedentes y la motivación de la investigación sobre los OPR. En el capítulo 2 se describe la preparación de materiales, métodos experimentales aplicados en esta tesis. Los siguientes capítulos se centran en los principales resultados obtenidos, la Parte I se centra en las mejoras del rendimiento electroquímico de ZIFB (Capítulos 3–5). La Parte II (Capítulos 6 y 7) se centra en la fotocarga imparcial de los RFB, desde la batería de flujo redox de vanadio (VRFB) hasta el ZIFB, optimizado en la Parte I. En el Capítulo 3, entre la exploración de diferentes ánodos carnonáceos, se encontró que la lámina de grafito es el ánodo mejor optimizado, exhibiendo una excelente eficiencia general (~80 %) como resultado de un revestimiento/desprendimiento de Zn eficiente. La observación indicó que varios factores influyen en el recubrimiento/desprendimiento de Zn eficiente, como la estructura física de los ánodos, la humectabilidad del electrolito y la conductividad eléctrica. Los capítulos 4 y 5 están dedicados a la mejora de la química de electrolitos. Un problema importante en el ciclo de RFB es la migración de agua entre electrolitos de media celda, que se resolvió en el Capítulo 4. Los resultados experimentales del modelo propuesto de equilibrio de concentraciones molares de electrolitos mostraron que ZIFB ciclado con electrolito sintonizado suprimió 1/3 de la migración de agua, con excelente capacidad de descarga y resistencia óhmica de celda más baja. El capítulo 5 se centra en mejorar el ciclo de vida de ZIFB utilizando NaCl como electrolito de apoyo. La presencia de iones Cl- impulsó el rendimiento de ZIFB con 100 ciclos estables y una retención de capacidad del 77 %, con mejoras en la reversibilidad de las reacciones redox Zn/Zn2+ e I3-/I-. La formación del compuesto ZnCl4 soluble es el factor clave para mejorar la reversibilidad redox de Zn/Zn2+. La Parte II (Capítulos 6 y 7) está dedicada al estudio a nivel de dispositivo para alcanzar la fotocarga imparcial de los RFB solares. El capítulo 6 se centra en la integración de la celda fotovoltaica CIGS y VRFB. La fotocarga completa e imparcial logró una alta eficiencia energética (77 %), carga solar (7,5 %) y eficiencia de conversión de energía de ida y vuelta (5 %). Teniendo en cuenta los desafíos restantes de esta configuración de VRFB solar, en el Capítulo 7 se realizó la integración entre el ZIFB optimizado (de la Parte I) y una celda solar orgánica (OSC) hecha de materiales fotoabsorbentes que no dañan el medio ambiente. voltaje de carga (~ 1,3 V) de OSC, ZIFB alimentado a diferencia de VRFB (rango de voltaje de carga: 1,4–1,7 V), el ZIFB se carga hasta un 22% alimentado únicamente por OSC.

The globally increasing demand of renewable energy sources into the electricity grid created the need to introduce large-scale energy storage systems (ESS), redox flow batteries (RFBs). Zinc-iodide redox flow battery (ZIFB) exhibits a great potential for high energy density large-scale ESS. However, their practical use is still limited by poor cyclability, low current density, and capacity loss, due to irreversible Zn plating/stripping, slow kinetics of the redox reactions. In this context, the aim of this thesis is to design a ZIFB with the improvement on the anode and electrolyte chemistry, focusing on lower current densities, suitable for matching with photovoltaic system. To achieve these objectives, the thesis is structured in 7 main chapters. Chapter 1 presents the general context, background and motivation of the research on RFBs. Chapter 2 describes the materials preparation, experimental methods applied in this thesis. The following chapters are focused on the main results obtained, Part I is focused on the electrochemical performance improvements of ZIFB (Chapters 3–5). Part II (Chapters 6 and 7) is focused on the unbiased photocharge of RFBs, starting from vanadium redox flow battery (VRFB) to the ZIFB, optimised in Part I. In Chapter 3, among exploration of different carnonaceous anodes, graphite foil was found as the best optimised anode, exhibiting excellent overall efficiency (~80%) as a result of efficient Zn plating/stripping. The observation stated that several factors influence the efficient Zn plating/stripping, such as physical structure of anodes, electrolyte wettability, and electrical conductivity. Chapter 4 and 5, are devoted to the improvement of the electrolyte chemistry. A major issue in RFB cycling is water migration between half-cell electrolytes, which was resolved in Chapter 4. The experimental results of the proposed model of balancing molar concentrations of electrolytes showed that ZIFB cycled with tuned electrolyte suppressed 1/3 of water migration, with excellent discharge capacity and lowest cell ohmic resistance. Chapter 5 focuses on enhancing the cycle life of ZIFB using NaCl as supporting electrolyte. The presence of Cl- ions boosted the ZIFB performance with 100 stable cycles and 77% capacity retention, with improvements in the reversibility of Zn/Zn2+ and I3-/I- redox reactions. Formation of the soluble ZnCl4 compound is the key factor for the improvement of Zn/Zn2+ redox reversibility. Part II (Chapters 6 and 7), is dedicated to the device-level study to reach unbiased photocharge of solar RFBs. Chapter 6 is focused on the integration of the CIGS PV cell and VRFB. Full unbiased photocharge achieved high energy efficiency (77%), solar-to-charge (7.5%), and round-trip energy conversion efficiency (5%). Taking into account the remaining challenges from this solar VRFB set-up, the integration was performed between the optimised ZIFB (from Part I) and an organic solar cell (OSC) made of environment-friendly photoabsorber materials in Chapter 7. Thanks to the stable charging voltage (~1.3 V) of OSC, powered ZIFB unlike VRFB (charge voltage range: 1.4–1.7 V), the ZIFB charged up to 22% solely powered by OSC.