VANADIUM ELECTROLYTE

VANALYTE® and SuperVANALYTE®

PRODUCTION and RECYCLING

ÉLECTROLYTE DE VANADIUM

VANALYTE® and SuperVANALYTE®

PRODUCTION et RECYCLAGE

OUTLINE

1. BACKGROUND

2. VANADIUM ELECTROLYTE PRODUCTION UNITS
   

3. VANADIUM ELECTROLYTE CHEMICAL COMPOSITION

4. BENEFITS AND ADVANTAGES

5. VANALYTE TECHNICAL SPECIFICATIONS

6. VANADIUM ELECTROLYTE ONGOING DEVELOPMENTS

7. RECYCLING OF VANADIUM ELECTROLYTE
   

8. COMMERCIAL STRATEGIES

9. SAFETY DATA SHEET (SDS)

10. PACKAGING AND STORAGE

11. ORDERING VANADIUM ELECTROLYTE

PLAN

1. FONDEMENTS

2. UNITES DE PRODUCTION D'ÉLECTROLYTE DE VANADIUM
   

3. COMPOSITION DE L'ÉLECTROLYTE DE VANADIUM

4. LES AVANTAGES TECHNOLOGIQUES

5. CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES

6. RECYCLAGE D'ÉLECTROLYTE DE VANADIUM
   

7. STRATEGIE COMMERCIALLE

8. DÉVELOPPEMENTS EN COURS

9. FICHE DE DONNÉES DE SÉCURITÉ (FDS)

10. EMBALLAGE ET ENTREPOSAGE

11. COMMANDER L'ÉLECTROLYTE DE VANADIUM

BACKGROUND

Since October 2018, ELECTROCHEM TECHNOLOGIES & MATERIALS INC. produces at its facilities located in Boucherville, Québec, Canada, all vanadium electrolyte solutions (VANALYTE® and SuperVANALYTE®) which are used in vanadium redox flow batteries (VRFB).

The modular vanadium electrolyte production units that have been proven at the commercial scale have a nameplate production capacity of all vanadium electrolyte solution ranging from 100 Liters per day (26.4 gallons per day) with one FlowPro III electrolyzer up to 685 L per day (180 gallons per day) by combining FlowPro III and FlowPro IV units together. Soon this nameplate capacity would be increased up to 1000 Liters per day (264 gallons per day) by building and adding additional FlowPro IV or a larger FlowPRO X electrolyzers that will be mounted onto a skid which is under current assessment.

Electrochem's proprietary and patent pending technology [WO 2022/213173 (A1)] consists to perform the electrochemical reduction of a suspension of vanadium pentoxide using slurry electrolysis. Such one step electrochemical process is highly efficient and does not generate any by-products nor release deleterious impurities as no organic nor inorganic chemical reducing agents are used during the production.

Our competitive technical and economic advantages rely on proprietary electrolyzer design and electrode materials and customized long lasting membranes. The result is a robust and low-cost production processing route yielding pure vanadium electrolyte solutions suitable for the vanadium redox flow battery (VRFB).

In addition, our geographic location in Quebec where hydroelectricity is affordable and skilled labour wages competitive and flexible strengthens our commercial position due to a much lower production cost especially compared to Europe.

PCT of the International Patent Application WO 2022/213173 (A1) [PDF file (3.29 MB)] entitled ELECTROCHEMICAL PREPARATION OF VANADIUM ELECTROLYTES AND SULFATES OF MULTIVALENT TRANSITION METAL

FONDEMENTS

Depuis 2018 ELECTROCHEM TECHNOLOGIES & MATERIAUX INC. produit à ses installations situées à Boucherville, Québec, Canada des solutions d'electrolytes équimolaires de vanadium (VANALYTE® et SuperVANALYTE®) destinées aux accumulateurs à circulation redox au vanadium (VRFB).

L’unité modulaire de production d’électrolyte de vanadium qui a fait ses preuves à l’échelle commerciale possède une capacité de production nominale de 100 Litres par jour (26.4 gallons par jour) avec une cellule FlowPro III et jusqu'à 685 Litres par jour (180 gallons par jour) en combinant ensemble plusieurs unités de type FlowPro III  et FlowPro IV. Cette capacité nominale devrait ȇtre augmentée jusqu'à atteindre bientôt 1000 Litres par jour (264 gallons par jour) en utilisant une installation plus grande construite à partir de plusieurs cellules d'électrolyse de type FlowPro IV ou une tres grande cellule FlowPRO X montées sur une plateforme qui est présentement en évaluation.

La technologie exclusive d'Electrochem en attente de brevet [WO 2022/213173 (A1))] consiste à effectuer la réduction électrochimique du pentoxyde de vanadium. Ce procédé électrochimique en une seule étape est hautement efficace et ne génère aucun sous-produit ni ne libère aucunes impuretés néfastes, car aucun agent réducteur chimique organique ou inorganique n'est utilisé pendant la production commerciale.

Nos avantages compétitifs tant techniques qu'économiques résident dans la conception de nos électrolyseurs, nos matériaux d'électrodes et de membranes. Cette approche permet une production rapide et très peu coûteuse donnant des solutions d'électrolytes au vanadium pures adaptées aux batteries à circulation redox au vanadium (VRFB).

De plus notre situation géographique au Québec où l'hydro-électricité est bon marché et la main d'ouevre qualifiée compétitive et flexible renforce notre position commerciale grâce à un cout de production bien moindre comparativement à l'Europe.

PCT Demande de brevet internationale WO 2022/213173 (A1) [PDF file (3.29 Mo)] ELECTROCHEMICAL PREPARATION OF VANADIUM ELECTROLYTES AND SULFATES OF MULTIVALENT TRANSITION METAL

ELECTROCHEMICAL MODULAR UNIT FOR THE PRODUCTION OF VANADIUM ELECTROLYTE

• Design: rectangular plates and frames combined with auxiliary tubular balancing unit.
• Cell construction material: polyvinylchloride (PVC), chlorinated-polyvinyl chloride (CPVC), polypropylene (PP).
• Piping material and size: CPVC and PVC [NPS Schedule #80].
• Configuration: divided by ion exchange membranes in two or multiple compartments.
• Electrodes: plates, three-dimensional (mesh and expanded metals).
• Gasketing: EPDM or fluoroelastomers PVHF (VITON®).
• Internal flow circulation: flow-by, flow-through, manifolds,turbulent promoters, distributors, serpentine.
• Electrodes assembly: monopolar or bipolar stacks.
• Back plates: aluminum 6061 T6, stainless steel AISI 316 tie rods and Belleville compression springs.
• Cooling: coiled immersed chillers and plate heat exchanger.
• Pumping: air-operated diaphragm pumps, centrifugal pumps, ball valves.
• Mixing: inert gas sparging, impeller, in-line static mixer.
• Electrolyte holding tanks: 2 x 5 US gallons up to 2 x 30 US gallons.
• Instrumentation: pH, ORP, temperature, and toroidal conductivity probes, pressure gauges, rotameters.
• Electrical connection: copper C101 busbars
• Wiring: copper cables from AWG. No. "1/0" à No. "3/0" (106 à 212 kcmil) up to 350 kcmil and 500 kcmil
• Use: indoor unit mounted on heavy steel duty cart or skid (2000 lb.) with spill containment trays.

UNITÉ ÉLECTROCHIMIQUE POUR LA PRODUCTION D'ÉLECTROLYTE DE VANADIUM

• Conception: rectangulaire avec plaques et cadres, avec une unité tubulaire auxiliaire d'équilibrage.
• Matériaux de construction: chlorure de polyvinyle (CPV), chlorure de polyvinyle chloré (CPV-C), polypropylène (PP)
• Tuyauterie: chlorure de polyvinyle (CPV), chlorure de polyvinyle chloré (CPV-C) [NPS Cédule #80].
• Configuration: séparation par membrane en deux ou plusieurs compartiments
• Électrodes: plaques, grillage, métal déployé.
• Joints d'etancheité: EPDM, élastomères fluorés (VITON®).
• Circulation interne de l'électrolyte: flux parallel, flux transversal, promoteurs de turbulence, serpentin.
• Empilement: monopolaires ou bipolaires.
• Plaques de maintien: aluminium 6061, tiges de maintien en acier inoxydable 316 avec ressorts Belleville.
• Refroidissement: échangeur de chaleur a plaques et serpentin immergés.
• Circulation et pompage: pompe à diaphragme, pompe centrifuge, vannes à boisseau.
• Agitation: bullage de gaz, agitateur, mélangeur statique.
• Réservoir d'électrolyte: de 2 x 5 gallons (2 x 18.9 L) à 2 x 30 gallons (2 x 116L).
• Instrumentation: sondes de pH, d'ORP, de température, de conductivité, jauges de pression et rotamètres.
• Connexion électrique: barre équipotentielle en cuivre C101
• Cȃblage: cȃbles from AWG. No. "1/0" à No. "3/0" (106 à 212 kcmil)  jusqu'à 350 et 500 kcmil.
  
• Utilisation: unité pour usage intérieur sur charriot ou plateforme (2000 lb.) avec plateau contre les déversements.

CHEMICAL COMPOSITION & PROPERTIES OF VANADIUM ELECTROLYTES

VANALYTE® (1.6M to 1.9M)

SuperVANALYTE® (2.0M to 3.0M)

COMPOSITION CHIMIQUE ET PROPRIÉTÉS DES  ÉLECTROLYTE DE VANADIUM

VANALYTE® (1.6M to 1.9M)

SuperVANALYTE® (2.0M to 3.0M)

BENEFITS & ADVANTAGES

•     Customized energy density
•     Versatile
  
•     Long shelf life
•     Balanced (Equilibrated)
•     Stabilized
  
•     Low current or cell voltage fluctuation
•     No organic content or deleterious impurities
•     Cost effective
  

See Safety Data Sheet below for Health Effects and Precautions for Use

ATOUTS & ADVANTAGES

• Densité d'énergie
• Versatile
• Longue durée de vie
• Solutions équilibrées et stabilisées
• Faible fluctuation de courant ou de tension de cellule
• Pas de matière organique ou d'impuretés néfastes
• Moindre coût

Consultez la fiche de données de sécurité pour connaître les effets sur la santé et les précautions d'emploi.

VANADIUM ELECTROLYTE NEW DEVELOPMENTS 2019-2023

• Production Process Intensification and Concentrated Electrolyte - Upon request, we are currently testing the production of highly concentrated vanadium electrolyte solutions (SuperVANALYTE®) up to 3.5M with thermally stable formulations suitable for both cold and warm climates in order to reduce significantly the handling and shipping costs by 25%. Once delivered to the VRFB manufacturer and vanadium electrolyte end-users, the client will perform on-site the dilution and final adjustment. Conversely, the testing of the SuperVanalyte® as concentrated vanadium electrolyte was initiated following the request made by some end-users to increase significantly the volumetric energy density well above the adopted value. For that purpose, we have designed and built a particular VRFB suitable to cope with such elevate vanadium concentration and related issues inside the anode compartment  during charging specifically the precipitation of solids and the existence of a biphasic mode of operation (i.e., suspension, slurry).

• Raw Materials Sourcing - Several sources of technical grade vanadium pentoxide and alternate feedstocks are being investigated in terms of production operating parameters to establish key performance indicators (KPI). For that purpose, we utilise also a vanadium redox flow battery (VRB) stack to perform key electrochemical testing of the final product in-house while other battery performance indicators (life cycle, thermal stability, service life) are assessed externally.

• Practical Vanadium Electrolyte Standard - For several months together with end-users we are establishing the maximum level of impurities that are acceptable to the proper operation over the entire life of a vanadium redox flow battery. After classifying the various impurities in several categories according to their impact, electrochemical behavior and nuisance, we have started to establish acceptable upper thresholds for most common impurities while we have identified the strong negative impact of some deleterious impurities detected but not yet reported for most commercial specifications. Some of these unusual impurities were traced back either to the source of vanadium raw material processed or the sulfuric acid or the degradation products of membranes, electrodes and stack materials or even to the construction materials used for the storage tanks, pumps and piping when batches of end-of-life vanadium electrolyte were re-processed (see below). This comprehensive work will be carried-out for several months but the aim is clearly to establish a practical standard less stringent than the actual specifications that sometimes exagerate the maximum acceptable level of impurities this affecting the selling price considerably.
• Refurbishing and Recycling of Spent Vanadium Electrolytes - Collaboration with end users to refurbish or recycle their own spent electrolytes directly onsite. The recycling processes all vanadium electrolytes and also under certain conditions mixed vanadium electrolytes using a new proprietary method.
  
• Electrolyzing at very high current densities - Improved electrodes and membranes are now fabricated in order to double the hourly production rate by operating under very high current densities. This new mode of operation now allows to double the productivity of each electrolyzer thus drastically reducing the footprint.
  
• Co-production of valuable chemicals - After months of extensive testing at the laboratoory and pilot scale several high added value niche chemicals are now produced during commercial operation.

NOUVEAUX DÉVELOPPEMENTS 2019-2023 SUR L'ÉLECTROLYTE DE VANADIUM

• Intensification du processus de production et électrolyte concentrée - Sur demande, nous testons actuellement la production de solutions électrolytiques à base de vanadium hautement concentrées (SuperVANALYTE®) up to 3.5M avec des formulations thermiquement stables convenant aux climats froids et chauds, afin de réduire considérablement les coûts de manutention et de transport de 25%. Une fois livrés au fabricant de VRFB et aux utilisateurs d'électrolyte au vanadium, ils effectueront la dilution et le réglage final sur site. De plus, les essais du SuperVanalyte® en tant qu'électrolyte de vanadium trés concentré ont été lancés suite à la demande de certains utilisateurs d'augmenter considérablement la densité d'énergie volumétrique bien au-dessus de la valeur adoptée dans l'industrie. À cette fin, nous avons conçu et construit une batterie de type VRFB particulierement adaptée pour faire face à une telle concentration élevée de vanadium et aux problèmes connexes survenant spécifiquement à l'intérieur du compartiment anodique pendant la charge comme la précipitation d'especes solides et donc la circulation en mode biphasique (i.e., suspension).

• Approvisionnement en matières premières - Plusieurs sources de pentoxyde de vanadium de qualité technique et de sources atlernatives font l’objet d’une étude des paramètres de fonctionnement de la production afin d’établir des indicateurs de performance clés. À cette fin, nous utilisons une batterie au vanadium à flux redox (VRB) pour effectuer des tests électrochimiques clés sur le produit final en interne, tandis que d'autres indicateurs de performance de la batterie (cycle de vie, stabilité thermique, durée de vie) sont évalués à l'externe.

• Norme pratique sur les électrolytes au vanadium - Nous avons lancé une campagne de plusieurs mois avec les utilisateurs afin d’établir le niveau maximal d’impuretés acceptable pour un fonctionnement correct sur toute la durée de vie d’une batterie à redox au vanadium. Après avoir classé les différentes impuretés dans plusieurs catégories en fonction de leur impact, de leur comportement electrochimique et de leur nuisance, nous avons commencé à établir des seuils supérieurs acceptables pour les impuretés les plus courantes, tout en identifiant le fort impact négatif d'impuretés délétères détectées mais non encore répertoriées dans la plupart des spécifications commerciales. Certaines de ces impuretés sont inhabituelles et ont été attribuées soit à la source de matière première de vanadium traitée, de l'acide sulfurique, soit à la dégradation des membranes, des électrodes et des matériaux de cellule, voire aux matériaux de construction utilisés pour les réservoirs de stockage, les pompes et les tuyauteries ces derniers identifier dans des lots d'électrolyte de vanadium en fin de vie (voir ci-dessous). Ce travail exhaustif durera encore plusieurs mois, mais le but est clairement d’établir une norme pratique moins contraignante que les spécifications actuelles qui exagèrent parfois le niveau maximum acceptable d’impuretés ce qui affectent considérablement le prix de vente.
• Reconditionnement et recyclage des électrolytes de vanadium usagés - Collaboration avec les utilisateurs finaux pour recondiotionner et  recycler leurs propres électrolytes usagés directement sur le site d'utilisation. Le recyclage traite tous les électrolytes de vanadium ainsi que, sous certaines conditions, des électrolytes de vanadium mixtes à l'aide d'une nouvelle méthode exclusive.
• Électrolyse à très hautes densités de courant - Des électrodes et des membranes améliorées sont étmaintenant fabriquées afin de doubler le taux de production horaire en fonctionnant sous des densités de courant très élevées. Ce nouveau mode de fonctionnement permet désormais de doubler la productivité de chaque électrolyseur réduisant ainsi drastiquement l'encombrement.
• Coproduction de produits chimiques de haute valeur ajoutée – Après des mois de tests approfondis en laboratoire et à l'échelle pilote, plusieurs produits chimiques de niche de grande valeur sont désormais produits dans le cadre d'une exploitation commerciale.
  

RECYCLING VANADIUM ELECTROLYTES

• Recycling, Reprocessing and Regeneration - We are exploring the recycling, the reprocessing, the refurbishing and the purification of end-of-life (E-o-L) vanadium electrolyte solutions in order to remove all deleterious metallic impurities, to remove particulates solids, to destroy organic contaminants, to adjust the chemical composition and to perform the reprocessing and re-balancing. We have identified hundred of unusual impurities some never reported in the literature that were traced back either to the source of raw material processed (e.g., vanadium, sulfuric acid, deionized water) or the degradation products of VRFB stack materials or even to the construction materials used or specifications for storage tanks (e.g., plasticizers, catalysts) and fluid handling equipment.

• A separate compact production unit is used to address these specific needs especially to avoid the risk of cross-contamination between the fresh and spent vanadium electrolyte batches.This project is also included in our extensive in-house R&D program as we aim to explore and develop new purification and reprocessing techniques never used in that field to our knowledge.

• So far the several piloting campaigns performed allowed us to produce for all cases a fresh and balanced vanadium electrolyte ready to be reused inside a VRFB. If the client wants instead to recover only the vanadium values from the spent electrolyte we were able to extract with a yield of 99% either pure crystals of vanadyl sulfate heptahydrate or to recover high purity vanadium pentoxide both suitable to be utilized as new precursors by the clients. The latter approach is however not favored as all the batches whatever the type of contamination were successfully reprocessed.
  

RECYCLAGE DES ELECTROLYTES DE VANADIUM

• Recyclage, régéneration et durabilité- Nous explorons le recyclage, le reconditionnement et la purification des solutions d'électrolytes au vanadium en fin de vie afin d'éliminer toutes les impuretés métalliques nuisibles, d'éliminer les particules solides, de détruire les contaminants organiques, d'ajuster la composition chimique et d'effectuer le rééquilibrage. Ces centaines d'impuretés inhabituelles dont certaines n'ont jamais été signalées dans la littérature et qui remontent à la source des matières premières traitées (vanadium, acide sulfurique, eau déionisée) ou aux produits de dégradation des matériaux de la batterie VRFB ou même aux matériaux de construction utilisés pour réservoirs de stockage (p. ex. plastifiants, catalyseurs).

• Une unité de production compacte séparée est utilisée pour répondre à ces besoins spécifiques, en particulier pour éviter le risque de contamination croisée entre les lots d'électrolytes de vanadium produits et ceux qui ont été recyclés. Ce projet est également inclus dans notre nouveau programme de recherche et développement interne dans le but d'explorer et de développer de nouvelles techniques de purification jamais utilisées dans ce domaine à notre connaissance.

• A date, les essais pilotes on permit de produire un électrolyte neuf quelque soit la nature et le niveau de la contamination. Cependant, sur demande d'un client nous avons aussi effectué la récuperation totale des valeurs de vanadium ou de produire des précurseurs purs directement réutilisables dans l'industrie du vanadium.
  

VANADIUM ELECTROLYTES COMMERCIAL STRATEGY

• Commercial Strategy - We are exploring the possibility for establishing a vanadium electrolyte distribution network overseas. Negociations are also underway with vanadium producers, VRFB manufacturers regarding a vertically integrated model and the possible commercial transfer of the technology to selected customers inking a business contract with financial requirements and monetary down payments resembling a patent license agreement.

• Financial Model - While most large scale vanadium electrolyte producers are today aiming towards a vanadium electrolyte leasing model to level the price volatility and to mitigate the cost of vanadium electrolyte for the lessee we are not considering that option at all and we sell the product instead. Actually, first the vanadium electrolyte is classified as a hazardous chemical and the legal liability risk of the lessor is too high in case a spill of a leased vanadium electrolyte occurs at the lessee facilities or if the lessee is not complying with enforced safety and health regulations. Secondly, the insolvency risk in case of bankruptcy of the lessee and then the technical complications and the costs for recovering the vanadium electrolyte precludes irretrieviably that financial model.

STRATÉGIE COMMERCIALE ÉLECTROLYTES DE VANADIUM

• Stratégie commerciale - Établir un réseau de distribution d'électrolytes au vanadium à l'étranger. Des négociations sont également en cours avec des producteurs de vanadium établis et des fabriquants de VRFB concernant une intégration verticale et la possibilité de transférer la technologie à des clients sélectionnés ayant un contrat commercial assorti d'obligations financières et garanties monétaires pouvant ressembler à un contrat de licence de brevet.

• Modèle financier - Alors que la plupart des grands producteurs d’électrolytes au vanadium envisagent aujourd’hui de mettre en place un modèle de crédit-bail pour aplanir la volatilité des prix et atténuer le coût de d’électrolytes au vanadium pour le contrat de location, nous n’envisageons pas cette option et vendons le produit à la place. En effet, l'électrolyte de vanadium est classé comme produit chimique dangereux et le risque de responsabilité légale du bailleur est trop élevé en cas de déversement d'electrolyte loué dans les installations du locataire ou si le locataire ne respecte pas les règles de sécurité et de santé en vigueur. Deuxièmement, le risque d'insolvabilité en cas de faillite du locataire et la complication et les couts du recouvrement de l'electrolyte de vanadium excluent irrémédiablement ce modèle financier.

VANADIUM ELECTROLYTE TECHNICAL SPECIFICATIONS

CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES DE L'ÉLECTROLYTE DE VANADIUM

PACKAGING & STORAGE

• 4-L jugs
• 2.5-gallon jerrican [UN 3H1/Y1.6/150]
• 5.0-gallon jerrican [UN 3H1/Y1.8/150]
• 15-gallon drum [UN 1H1/Y1.8/100]

• 30-gallon drum [UN 1H2/Y180/S]
• 55-galllon drum [UN 1H1/Y1.9/100]
• 275-gallon tote tank Fluid International Bulk Container (FIBC) [UN 31HA1/Y]
• 330-gallon tote tank Fluid International Bulk Container (FIBC) [UN 31HA1/Y]

EMBALLAGE & ENTREPOSAGE

• Bouteilles de 4 Litres
• Jerricans de 10 Litres [UN 3H1/Y1.6/150]
• Jerricans de 20 Litres [UN 3H1/Y1.8/150]
• Baril de 57 Litres [UN 1H1/Y1.8/100]

• Fût de 113 Litres [UN 1H2/Y180/S]
• Fût de 208 Litres [UN 1H1/Y1.9/100]
• Réservoir GRV de 1040 Litres [UN 31HA1/Y]
• Réservoir GRV de 1250 Litres [UN 31HA1/Y]

SAFETY DATA SHEET (SDS) WHIMS 2015

• Vanadium Electrolyte Solution (SDS) [Vanalyte™ and SuperVanalyte™]

FICHE DE DONNÉES DE SÉCURITÉ (FDS) SIMDUT 2015

• Solution d'électrolyte de vanadium (FDS) [Vanalyte™ et SuperVanalyte™]

LEGAL DISCLAIMER

AVIS DE NON-RESPONSABILITÉ

ORDERING INFORMATION

POUR COMMANDER