Redox electrolytes for non-flow electrochemical energy storage

Abstract

In recent decades, a new type of electric energy storage system has emerged with the principle that the electric charge can be stored not only at the interface between the electrode and the electrolyte, but also in the electrolyte by the redox activities of the bulk electrolyte itself. Such redox electrolytes are promising for non-flow energy storage (redox electrolyte aided hybrid energy storage systems, REHES) particularly when they are combined with electrodes made of nanoporous carbon. In this PhD work, I have established a fundamental understanding regarding ion diffusion, process kinetics, and adsorption of redox ions. For that, different REHES systems have been investigated including tetrapropylammonium iodide, zinc iodide, potassium iodide, potassium ferricyanide, vanadyl sulfate, tin sulfate, and tin fluoride. The basic understanding of REHES systems enabled the targeted improvement of the device performance throughout this PhD work. Compared to the energy storage capacity of a conventional (non-redox) electrical double layer capacitor of 4 Wh/kg (ca. 80 F/g), the use of the ZnI2 redox electrolyte yielded significantly higher performance of up to 226 Wh/kg. Furthermore, the specific power was also enhanced from 1.3 kW/kg to 20 kW/kg. As a key conclusion, this PhD work demonstrates the high attractiveness of REHES systems not only from a performance point of view, but also regarding low cost and simplicity of the system.

Die Forschung der letzten Jahrzehnte hat eine neue Art der elektrochemischen Energiespeicherung hervorgebracht, bei der elektrische Ladung nicht nur an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten gespeichert wird, sondern auch im Elektrolyten selbst durch dessen Redoxaktivität. Diese Redox-Elektrolyte sind für hybride Energiespeichersysteme ohne extern-mechanische Bewegung des Elektrolyten (REHES) vielversprechend, insbesondere, wenn hochporöse Kohlenstoffmaterialien als Elektroden verwendet werden. In dieser Doktorarbeit wurden verschiedene REHES-Systeme hinsichtlich der Diffusion, der elektrochemischen Kinetik und der Adsorption von Redox-Ionen untersucht, um grundlegende Effekte und Prozesse aufzuklären. Die Kombination grundlegender Elektrochemie und Materialcharakterisierung ermöglichte es, die Leistungsparameter von REHES im Vergleich zum Stand der Technik deutlich zu verbessern. Die Energiespeicherkapazität des herkömmlichen wässrigen elektrischen Doppelschichtkondensators ohne Redoxelektrolyt von 4 Wh/kg (entspricht 80 F/g) wurde zum Beispiel im ZnI2 System auf bis zu 226 Wh/kg gesteigert, während die spezifische Leistung von 1.3 kW/kg auf 20 kW/kg verbessert werden konnte. Als Ergebnis zeigt sich, dass REHES ein besonders vielversprechender Ansatz zur Darstellung hochleistungsfähiger elektrochemischer Energiespeicher ist. Weitere Vorteile von REHES sind ein vereinfachtes Zellkonzept und die Verwendung von potentiell kostengünstige Einzelkomponenten.