Computational Modelling of Mass Transfer in Molten Salt Electrolyte for Na-Zn Liquid Metal Batteries

Abstract

Flytende metall-batterier (eller FMB-er) er en fremvoksende batteriteknologi som blir stadig mer relevant for storskala energilagring på strømnettet. Denne lagringen kan bidra til å redusere variasjonene i strømforsyningen forårsaket økt bruk av fornybar energi, og dermed øke sammenfallet mellom energitilbud og etterspørsel. Na-Zn FMB har potensial for å tilby kosteffektiv energilagring ved å bruke ikke-giftige materialer som har stor tilgjengelighet. Imidlertid har denne type batteri en høy grad av selvutladning og andre betydelige begrensninger. Den elektriske strømmen gjennom det smeltede saltet i elektrolyttlaget drives av ionetransport, noe som dermed har betydelig innvirkning på batteriets drift og egenskaper, som koulombisk effektivitet, elektrolyttmotstand, elektrisk potentialfall, maksimale ladnings- og utladningsstrømmer og mer. Denne rapporten presenterer modelleringen av masseoverføringen i nevnte elektrolyttlaget, inkludert diffusjon og migrasjon, for å gi en dypere forståelse av hvordan denne transporten kan simuleres, hvordan den påvirkes av en porøs diafragm tilstedte, og dens innvirkning på motstanden som oppstår. Denne innsikten kan bidra til å utvide den eksisterende kunnskapen om FMB-er og sikre optimal ytelse for energilagring på strømnettet. I arbeidet utført ble OpenFOAM programvaren brukt til å opprette en numerisk løser som ble brukt til å modellere den beskrevne transporten i elektrolytten til Na-Zn FMB med en diafragm. Denne løseren kan videre utvides og anvendes på ulike måter enn det som er gjort i dette prosjektet i fremtidig forskning. En modifisert versjon av løseren ble brukt til å teste tilnærmingen mot eksisterende resultater i vannbaserte elektrolytter. Resultater under ulike forhold, som representerer elektrolyttlageret under ladding og utladning av batteriet med ulike påførte elektriske strømtettheter og potensialforskjeller, er blitt produsert og diskutert. Forskjellige diafragmsegenskaper ble også testet, og deres innvirkning på masseoverføringen ble evaluert. Resultatene gir innsikt i hvordan modellen kan gjennomføres i OpenFOAM og i transportens atferd under ulike forhold for å tillate mer effektiv styring av prosessen i fremtiden for bedre batteridrift. I fremtidig forskning bør modellen utvides for å ta hensyn til ulike konveksjonsmekanismer, teste ulike implementeringer av randbetingelser og inkludere alle kjemiske forbindelser som er tilstede i elektrolytten.

Alle utviklede OpenFOAM løsere samt med scalarTransportFoam løser som var brukt som grunnlag til de utviklede løsere og enkelte eksempeler er tilgjengelig på GitHub: https://github.com/XeniaKos/master

Liquid metal batteries (or LMBs) are an emerging battery technology gaining relevance for large-scale on-grid energy storage. This storage could contribute to decreasing the fluctuations in power supply resulting from the introduction of intermittent renewable energy sources, bridging the gap between energy supply and demand. The Na-Zn LMB has shown some potential for providing cheap energy storage employing highly abundant non-toxic materials. However, this battery exhibits high rates of self-discharge and other significant limitations. The electric current through the molten salt electrolyte layer is realised by the transport of ions, which thus has a significant impact on the battery's functioning and properties, such as coulombic efficiency, electrolyte resistance, potential drop, maximum charge and discharge currents and more. This report presents the modelling of the mass transport in said electrolyte layer including diffusion and migration mechanisms to provide a deeper understanding of the ways this transport can be simulated, how its behaviour is affected by the presence of a porous diaphragm, and its impact on the resistance present. This insight can help expand the existing knowledge on LMBs and ensure optimal performance for grid energy storage. In the present work, OpenFOAM software was used to create a solver that was used to model the described transport in the molten salt electrolyte layer of Na-Zn LMB with a diaphragm in place. It can be further expanded and applied in different ways than done in this project in future research. A modified version of the solver was used to test the approach against existing results in aqueous solution systems. Results under various conditions, representing the electrolyte layer during charging and discharging of the battery with various applied electric current densities and potential differences, have been produced and discussed. Different diaphragm properties were also tested and their impact on the mass transport was evaluated. The results provide insight into the ways the implementation of the model can be realized in OpenFOAM and into the behaviour of the transport under various conditions to allow for more efficient control of the process in the future for better battery operation. In future research, the model should be expanded to account for various mechanisms of convection, test different boundary condition implementations, and include all chemical compounds present in the electrolyte.

All used OpenFOAM solver codes and some example case setups can be accessed on GitHub: https://github.com/XeniaKos/master