Hybrid all-Fe redox flow batteries: Coupling theory and experiment

混合全铁氧化还原液流电池:耦合理论与实验

基本信息

项目摘要

Reliable electrical energy storage devices are required in order to implement more of the highly fluctuating renewable energy sources into our electrical supply grid. To make this energy transition process also sustainable, it is important to use energy storage devices that rely on earth-abundant and non-toxic materials. Iron (Fe) fulfils these criteria and can be used in all-Fe redox flow batteries (IRFB), thereby providing a promising sustainable alternative to lithium-ion batteries and vanadium redox flow batteries. However, many critical challenges across length scales need to be overcome to enable this technology. At the nanoscale, smart interface designs are needed to inhibit the parasitic hydrogen evolution reaction. At the microscale, porous 3D-structured electrodes must facilitate reversible Fe plating and stripping inside the pores. At the macroscale, suitable rebalancing systems must handle hydrogen evolution, while carefully chosen operating conditions are required to mitigate capacity loss due to undesired plating/stripping of Fe. Unfortunately, those obstacles cannot be tackled independent of each other, but must be considered simultaneously. The goal of this project is to establish a comprehensive mechanistic understanding of the IRFB by using a joint theoretical and experimental approach across scales. Only by coupling experiment and theory in a multiscale approach, it will be possible to assess, understand, and rationally improve this complex system. From the theoretical side we will combine continuum and molecular models. With length scales from plating and stripping processes on the molecular scale up to operating conditions at system scale, we will cover the relevant processes by applying and advancing multiscale modelling techniques. On the experimental side we will modify surface properties by introducing defect sites into planar model surfaces, integrate the knowledge gained into 3D porous electrode samples, and test their properties under realistic operating conditions on the system level. Theory and experiment will be coupled by establishing parameterization and validation cycles to arrive at reliable and concise recommendations for interface, electrode and system design.
为了将更多高度波动的可再生能源纳入我们的供电网络,需要可靠的电能存储设备。为了使这一能源转型过程可持续,重要的是使用依赖地球丰富且无毒材料的储能设备。铁 (Fe) 满足这些标准,可用于全铁氧化还原液流电池 (IRFB),从而为锂离子电池和钒氧化还原液流电池提供了一种有前途的可持续替代品。然而,要实现这项技术,需要克服跨长度尺度的许多关键挑战。在纳米尺度上,需要智能接口设计来抑制寄生析氢反应。在微观尺度上,多孔 3D 结构电极必须促进孔内可逆的 Fe 电镀和剥离。在宏观尺度上,合适的再平衡系统必须能够处理氢气的析出,同时需要仔细选择操作条件以减轻由于不需要的铁电镀/剥离而导致的容量损失。不幸的是,这些障碍不能单独解决,而必须同时考虑。该项目的目标是通过跨尺度的联合理论和实验方法建立对 IRFB 的全面机制理解。只有通过多尺度方法将实验和理论结合起来,才有可能评估、理解和合理改进这个复杂的系统。从理论方面来说,我们将结合连续介质模型和分子模型。从分子尺度的电镀和剥离过程到系统尺度的操作条件,我们将通过应用和推进多尺度建模技术来涵盖相关过程。在实验方面,我们将通过将缺陷位点引入平面模型表面来修改表面特性,将获得的知识集成到 3D 多孔电极样品中,并在系统级别的实际操作条件下测试其特性。将通过建立参数化和验证周期将理论和实验结合起来,以获得针对界面、电极和系统设计的可靠而简洁的建议。

项目成果

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