Development of Zinc Slurry Air Flow Battery

Batteries have gained large interest in past few decades as energy storage systems because their merits such as relatively high efficiency, good durability of battery and unique power and energy output design. There are many types of batteries which can be used as reversible, or secondary, energy storage systems like redox flow batteries or metal-air batteries. The hybrid of those two types of batteries which is the Zinc slurry air flow battery uses zinc particles suspended in highly alkaline solution as the electrolyte and electrode for the negative compartment, whereas air is flowing in and out of the positive compartment for the oxygen reaction. As this is a relatively new concept of battery, there are two important factors which needs to be investigated. First, the discharge performance of the battery is the primary problem to be solved and the second challenge is the rechargeability of the battery to make it a secondary battery. In order to achieve those two goals, the bipolar plates are one of the key components to be studied in redox flow batteries as they require not only a good electrical conductivity, but also good mechanical durability with high corrosion resistance. Furthermore, this component is also important as the electrolyte flow can be improved by carving a flow field on the bipolar plate. Hence, this study aims first to improve the discharge performance of the Zinc Slurry Air Flow Battery. To do this, several types of flow field designs and material compositions have been tested as they play an important role in the performance of the redox flow battery, especially when using highly viscous liquids. To enhance the discharge power density of zinc slurry air flow batteries, an optimum slurry distribution in the cell is key. Hence, several types of flow fields (serpentine, parallel, plastic flow frames) were tested in this study to improve the discharge power density of the battery. The serpentine flow field delivered a power density of 55 mW·cm-2, while parallel and flow frame resulted in 30 mW·cm-2 and 10 mW·cm-2, respectively. Moreover, when the anode bipolar plate material was changed from graphite to copper, the power density of the flow frame increased to 65 mW·cm-2, and further improvement was attained when the bipolar plate material was further changed to copper-nickel. These results show the potential to increase the power density of slurry-based flow batteries by flow field optimization and design of bipolar plate materials. The second aim of this work is to improve the rechargeability of the battery. In the last section of this study, carbon additives were introduced to achieve a rechargeable zinc slurry flow battery by minimizing the zinc plating on the bipolar plate that occurs during charging. When no carbon additive was present in the zinc slurry, the discharge current density was 24mA·cm-2 at 0.6 V, while the use of carbon additives increased it to up to 38 mA·cm-2. The maximum power density was also increased from 16 mW·cm-2 to 23 mW·cm-2. Moreover, the amount of zinc plated on the bipolar plate during charging decreased with increasing carbon content in the slurry. A rheological investigation revealed that the elastic modulus and yield stress are directly proportional to the carbon content in the slurry, which is beneficial for redox flow battery applications, but comes at the expense of an increase in viscosity (two-fold increase at 100s-1).These results show how the use of conductive additives can enhance the energy density of slurry-based flow batteries.

Batterien erlangten in den letzten Jahrzehnten große Aufmerksamkeit als Energiespeichersysteme, aufgrund mehrerer Vorteile wie einem relativ hohen Wirkungsgrad, einer guten Haltbarkeit und einer modularen Skalierbarkeit von Leistung und Energie. Es gibt viele Arten von Batterien, die als reversible oder sekundäre Energiespeichersysteme verwendet werden können, wie Redox-Flow-Batterien oder Metall-Luft-Batterien. Die Mischform dieser beiden Batterietypen, die Zink-Slurry-Luft-Flussbatterie (""Flow Battery""), verwendet Zinkpartikel, die in einer hochalkalischen Lösung als Elektrolyt und Elektrode für das negative Kompartiment suspendiert sind, während im positiven Kompartiment Luft für die Sauerstoffreaktion ein- und ausströmt. Da es sich hierbei um ein vergleichsweise neues Batteriekonzept handelt, gibt es vorrangig zwei wichtige Faktoren, die untersucht werden müssen. Erstens muss die Entladeperformance der Batterie verbessert werden. Die zweite Herausforderung ist die Wiederaufladbarkeit der Batterie, welche diese erst zu einer Sekundärbatterie macht. Um diese beiden Ziele zu erreichen, sind die Bipolarplatten eine der Schlüsselkomponenten, die in den Redox-Flow-Batterien untersucht werden müssen, da sie nicht nur eine gute elektrische Leitfähigkeit, sondern auch eine gute mechanische Haltbarkeit mit hoher Korrosionsbeständigkeit erfordern. Darüber hinaus ist diese Komponente auch wichtig, da der Elektrolytfluss durch das Einlassen eines Strömungsfelds (""Flow-Field"") auf der Bipolarplatte verbessert werden kann. Daher zielt diese Arbeit zunächst darauf ab, die Entladeleistung der Zink-Slurry-LuftFlow-Batterie zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Arten von Flow-Field-Designs und Materialzusammensetzungen getestet, da sie eine wichtige Rolle für die Leistung der Redox Flow-Batterie spielen, insbesondere bei der Verwendung von hochviskosen Flüssigkeiten. Um die Entladeleistungsdichte von Zink-Slurry-Luft- Flussbatterien zu erhöhen, ist eine optimale Slurry-Verteilung in der Zelle entscheidend. Daher wurden in dieser Studie verschiedene Arten von Flow Fields (Serpentinen-, Parallel-, Kunststoffflussrahmen) getestet, um die Entladeleistungsdichte der Batterie zu verbessern. Das serpentinenförmige Fow Feld lieferte eine Leistungsdichte von 55 mW cm-2, während parallele und Kunststoffrahmen Werte von 30 mW cm-2 bzw. 10 mW cm-2 ergaben. Wurde das Material der Anoden-Bipolarplatte von Graphit auf Kupfer geändert, stieg die Leistungsdichte des Flussrahmens auf 65 mW cm-2, und eine weitere Verbesserung wurde erreicht, wenn das Material der Bipolarplatte weiter auf Kupfer-Nickel geändert wurde. Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial, die Leistungsdichte von Slurry-basierten Flow-Batterien durch Flow-Field-Optimierung und Design von Bipolarplattenmaterialien zu erhöhen. Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Wiederaufladbarkeit der Batterie. Im letzten Abschnitt dieser Studie wurden Kohlenstoff-Additive eingeführt, um eine wiederaufladbare Zink-Slurry-Flow-Batterie zu erreichen, indem die Zinkabscheidung auf der Bipolarplatte, die während des Ladens auftritt, minimiert wird. Wenn kein Kohlenstoffzusatz in der Zinkaufschlämmung vorhanden war, betrug die Entladestromdichte 24 mA cm-2 bei 0,6 V, während die Verwendung von Kohlenstoffzusätzen sie auf bis zu 38 mA cm-2 erhöhte. Auch die maximale Leistungsdichte wurde von 16 mW cm-2 auf 23 mW cm-2 erhöht. Darüber hinaus nahm die Menge an Zink, die während des Ladens auf der Bipolarplatte abgeschieden wurde, mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt in der Aufschlämmung ab. Eine rheologische Untersuchung ergab, dass der Elastizitätsmodul und die Fließspannung direkt proportional zum Kohlenstoffgehalt in der Aufschlämmung sind, was für Redox-Flow-Batterieanwendungen vorteilhaft ist, aber auf Kosten einer Erhöhung der Viskosität geht (zweifacher Anstieg bei 100 s-1). Diese Ergebnisse zeigen, wie die Verwendung von leitfähigen Additiven die Energiedichte von Slurry-basierten Flow-Batterien erhöhen kann.