Slurry-based electrodes for vanadium redox flow battery

  • Slurry-basierte Elektroden für Vanadium Redox Flow Batterien

Percin, Korcan; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Breugelmans, Tom (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering 15 (2021)
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Energiespeichersysteme spielen eine entscheidende Rolle für die großflächige Integration erneuerbarer Energiequellen in ein stabiles Stromnetz. Der schwankende Energieeintrag der erneuerbaren Energiequellen verlangt eine großskalige Zwischenspeicherung. Hierbei bieten Vanadium-Redox-Flow Batterie Systeme wegen Ihrer einfachen, preiswerten Nutzung für die Speicherung großer Energiemengen ein vielversprechendes Potential. Dennoch kann die Elektrodenleistung der Batterie noch verbessert werden. Diese Dissertation schlägt für VRFB den Einsatz von Suspensionselektroden als Alternative zu Standartelektroden vor. Suspensionselektroden sind leitende Partikel, die in Elektrolytmedien dispergiert sind. Dies ermöglicht eine dynamische Durchflusszelle, bei denen die Elektroden vom Zellinneren entkoppelt sind. Suspensionselektroden sind einfach herzustellen, leicht zu skalieren und leicht zu recyceln, ohne die Zelle zu zerlegen. Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung einer VRFB auf der Basis von Suspensionselektroden, wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Optimierung der elektrochemischen Aktivität und des Strömungsprofils der Suspensionselektroden liegt. Zum ersten Mal wird eine Vanadium-Redox-Flussbatterie auf der Basis der suspensionselektroden vorgestellt. Die elektrochemische Aktivität der Suspensionselektroden ist jedoch aufgrund des Strömungsprofils der Dispersion unter laminaren Bedingungen begrenzt. Die Anwendung von statischen Mischer zur besseren Suspensionsdurchmischung in der Durchflusszelle führt zur signifikanten Erhöhung der elektrochemischen Aktivität. Leitende statischen Mischer erhöhen zusätzlich die Stromdichte und damit der Standard-Vanadium-Redox-Flow-Batterie gleichkommen. Neben den statischen Mischern hängt die elektrochemische Aktivität der Suspensionselektroden stark von den Partikeleigenschaften ab. Diese Dissertation zeigt, dass die Partikelgröße, die Porosität und die elektrische Leitfähigkeit einen erheblichen Einfluss auf das Lade- und Entladeverhalten der Suspensionselektroden hat. Partikel mit der höchsten Leitfähigkeit und der niedrigsten Porosität weisen die beste Aktivität für die Redoxreaktionen auf. Die Zugabe von Nanopartikeln in die makrometergroßen Partikeldispersion deutetet auf eine Erhöhung der elektrochemischen Aktivität durch verbesserte elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Partikeln hin. Die dynamische Natur der Suspensionselektroden erlaubt die Veränderung der planaren Zellkonstruktionen der klassischen elektrochemischen Strömungsreaktoren. Eine tubuläre Vanadium-Redox-Flussbatterie wird hergestellt, um eine mögliche Anwendung der Suspensionselektroden zu demonstrieren. Die tubuläre Zelle weist aufgrund der verbesserten Elektrodenoberfläche zum Zellvolumen eine höhere Leistungsdichte im Vergleich zur planaren Zelle auf. Dadurch zeigen die Suspensionselektroden die Flexibilität ihrer Anwendungen. Insgesamt wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass die Suspensionselektroden durch die Berücksichtigung komplexer Strömungs- und Materialeigenschaften aktiviert und verbessert werden können. Andere elektrochemische Prozesse können von dem aus dieser Arbeit gewonnenen Verständnis profitieren und ermutigt werden, die Suspensionselektroden zu verwenden.

Identifikationsnummern

Downloads