Design of novel redox flow batteries

Questo lavoro di tesi partendo da un'analisi bibliografica delle tecnologie di batterie più avanzate allo stato solido e a flusso, sottolinea le potenzialità delle batterie metallo aria in particolare Li/O2 per applicazioni stazionarie e per il veicolo elettrico. L'ottimizzazione delle prestazioni delle batterie a flusso richiede un'accurata ingegnerizzazione del disegno di cella e studi di fluidodinamica per la valutazione dell'impatto dei flussi sul funzionamento della batteria. Le cadute di pressione attraverso la cella generano, infatti, una perdita di potenza che deve essere minimizzata mediante opportune geometrie di cella. Lo scopo di questa tesi è la modellizzazione e la valutazione sperimentale delle cadute di pressione attraverso prototipi di laboratorio di celle Li/O2 L’analisi dei disegni di celle a flusso proposte in letteratura ha permesso di realizzare un primo prototipo ottenuto con stampa 3D cha ha evidenziato come un intelligente geometria di cella permetta di ridurre drasticamente le cadute di pressione anche con sistemi viscosi quali gli elettroliti organici utilizzati nelle batterie a più alta energia specifica. L'integrazione tra simulazioni numeriche e prove elettrochimiche su celle Li/O2 reali ha permesso di proporre il disegno di un terzo prototipo di cella sempre con l'obbiettivo di massimizzare la potenza netta della cella. Da sottolineare che l'accuratezza della descrizione fluidodinamica nei prototipi virtuali studiati ha avuto conferma dalle misure sperimentali effettuate. Questa tesi pertanto contribuisce a dimostrare come gli approcci numerici utilizzati siano metodi estremamente potenti per accelerare l'attività di prototipazione di batterie redox a flusso avanzate, in particolare metallo aria, e per portare tali tecnologie a raggiungere valori di energie e potenze specifiche superiori rispetto allo stato dell'arte.