Ionic liquids based aqueous electrolytes for redox flow batteries

Abstract

Redox flow batteries (RFBs) attract ever increasing attention in stationary energy storage due to the decoupled power and energy. In this dissertation, ionic liquids based aqueous electrolytes have been introduced for RFBs. To develop RFBs with high energy density, it is effective to build high-voltage RFBs or increase the concentration of active species. To realize high-voltage RFBs, hydrophilic ionic liquids have been screened to develop aqueous supporting electrolytes with wide electrochemical stability windows (ESWs) up to 4.4 V. Imidazolium chloride based ionic liquids have been found to be effective reaction media to promote the redox activity of iron species. An aqueous TiO2−FeCl2 hybrid battery has been designed to prove the feasibility to develop high-voltage RFBs. A Zn−Fe hybrid flow battery has been built based on aqueous ionic liquid electrolytes accordingly. The kinetics of iron species and zinc plating/stripping has been investigated. Furthermore, imidazolium chloride based solutions are found to be preferable solvents for hydroquinone to remarkably improve its concentration by eight times at room temperature. An aqueous organic–inorganic hybrid flow battery has been designed based on hydroquinone and zinc chloride, with an unprecedented energy density above 220 Wh L–1 theoretically.

Redox-Flow-Batterien (RFBs) finden in stationären Energiespeichern aufgrund der Entkopplung von Leistung und Energie immer mehr Beachtung. In dieser Dissertation wurden wässrige Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten für RFBs vorgestellt. Um RFBs mit hoher Energiedichte zu entwickeln ist es effektiv, Hochspannungs-RFBs aufzubauen sowie die Konzentration aktiver Spezies zu erhöhen. Zur Realisierung von Hochspannungs-RFBs wurden hydrophile ionische Flüssigkeiten gescreent, um wässrige Leitelektrolyte mit einem breiten elektrochemische Stabilitätsfenster von bis zu 4,4 V zu entwickeln. Es wurde festgestellt, dass ionische Flüssigkeiten auf Imidazoliumchlorid-Basis Reaktionsmedien sind, die die Redoxaktivität von Eisenspezies wirksam fördern. Eine wässrige TiO2-FeCl2-Hybridbatterie wurde entwickelt, um die Machbarkeit der Entwicklung von Hochspannungs-RFBs zu beweisen. Analog dazu wurde eine Zn-Fe-Hybrid-Flow-Batterie auf Basis wässriger ionischer Flüssigelektrolyte gebaut. Die Kinetik von Eisenspezies und die Zink-Abscheidung und -Auflösung wurden untersucht. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass Lösungen auf der Basis von Imidazoliumchlorid als Lösungsmittel für Hydrochinon geeignet sind, dessen Konzentration bei Raumtemperatur um das Achtfache zu erhöhen. Eine wässrige organisch-anorganische Hybrid-Flow-Batterie wurde auf der Basis von Hydrochinon und Zinkchlorid entwickelt, die theoretisch eine beispiellose Energiedichte von über 220 Wh L–1 aufweist.