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Influence of precursor morphology and cathode processing on performance and cycle life of sodium-zinc chloride (Na-ZnCl2) battery cells

Sieuw, Louis und Lan, Tu und Svaluto-Ferro, Enea und Vagliani, Fabrizio und Kumar, Sumit und Ding, Wenjin und Turconi, Alberto und Diego, Basso und Andrea, Pozzi und Battaglia, Corsin und Heinz, Meike V. F. (2023) Influence of precursor morphology and cathode processing on performance and cycle life of sodium-zinc chloride (Na-ZnCl2) battery cells. Energy Storage Materials, 64 (103077). Elsevier. doi: 10.1016/j.ensm.2023.103077. ISSN 2405-8297.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
9MB

Kurzfassung

Replacing nickel by cheap and abundant zinc may enable high-temperature sodium-nickel chloride (Na-NiCl2) batteries to become an economically viable and environmentally sustainable option for large-scale energy storage for stationary applications. However, changing the active cathode metal significantly affects the cathode microstructure, the electrochemical reaction mechanisms, the stability of cell components, and the specific cell energy. In this study, we investigate the influence of cathode microstructure on energy efficiency and cycle life of sodium-zinc chloride (Na-ZnCl2) cells operated at 300 ◦C. We correlate the dis-/charge cycling performance of Na-ZnCl2 cells with the ternary ZnCl2-NaCl-AlCl3 phase diagram, and identify mass transport through the secondary NaAlCl4 electrolyte as an important contribution to the cell resistance. These insights enable the design of tailored cathode microstructures, which we apply to cells with cathode granules and cathode pellets at an areal capacity of 50 mAh/cm2. With cathode pellets, we demonstrate >200 cycles at C/5 (10 mA/cm2), transferring a total capacity of 9 Ah/cm2 at >83% energy efficiency. We identify coarsening of zinc particles in the cathode microstructure as a major cause of performance degradation in terms of a reduction in energy efficiency. Our results set a basis to further enhance Na-ZnCl2 cells, e.g., by the use of suitable additives or structural elements to stabilize the cathode microstructure.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/200636/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Influence of precursor morphology and cathode processing on performance and cycle life of sodium-zinc chloride (Na-ZnCl2) battery cells
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Sieuw, LouisEmpa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 8600 Dübendorf, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lan, TuEmpa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 8600 Dübendorf, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Svaluto-Ferro, EneaEmpa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 8600 Dübendorf, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Vagliani, FabrizioFZSoNick S.A., Stabio 6855, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kumar, SumitSumit.Kumar (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ding, WenjinWenjin.Ding (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Turconi, AlbertoFZSoNick S.A., Stabio 6855, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Diego, BassoFZSoNick S.A., Stabio 6855, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Andrea, PozziFZSoNick S.A., Stabio 6855, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Battaglia, CorsinEmpa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Dübendorf 8600, Switzerland;ETH Zurich, Department of Information Technology and Electrical Engineering, Zürich 8092, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Heinz, Meike V. F.Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 8600 Dübendorf, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:November 2023
Erschienen in:Energy Storage Materials
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:64
DOI:10.1016/j.ensm.2023.103077
Verlag:Elsevier
ISSN:2405-8297
Status:veröffentlicht
Stichwörter:High-temperature ZEBRA battery, Molten-salt battery, Zinc battery, Alkali metal anode Stationary energy storage
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicherung
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Speicher, E - Materialen für die elektrochemische Energiespeicherung, E - Neue Wärmeträgerfluide
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Thermische Prozesstechnik
Hinterlegt von: Ding, Wenjin
Hinterlegt am:19 Dez 2023 17:33
Letzte Änderung:21 Dez 2023 10:11

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