Estudo do efeito de aditivos em eletrólitos no desempenho de bateria de fluxo e célula a combustível de vanádio

Abstract

Este trabalho visa a preparação de eletrólitos para baterias VRFB e célula a combustível de alta densidade energética, tendo em vista que vem recebendo grande atenção nos últimos anos, como uma das tecnologias mais viáveis de armazenamento de energia provenientes de fontes renováveis, como a eólica e solar para aplicações em geração estacionária. No entanto, para uso automotivo, concentrações mais altas de espécies de vanádio são necessárias para melhorar a sua autonomia. O uso de ácido clorídrico 6 M, em conjunto com ácido sulfúrico 5 M, na proporção volumétrica 1:1 no católito,ao ser submetido a técnica de voltametria cíclica, proporciona um aumento de 50% na densidade de corrente anódica em relação ao uso de somente o ácido sulfúrico. Além disso, foi verificado que o uso de EDTA e NH4Cl facilita na redução de VO + 2 para a valência VO2+; a adição de EDTA proporciona um aumento da densidade de corrente catódica em 33% e a de NH4Cl em 50%, quando comparado com a amostra sem o uso dos aditivos. Por meio do uso de ácido cítrico foi evidenciado que este facilita fortemente na redução de VO + 2 para VO2+, e ao analisar os voltamogramas para o uso de 1% m/v de ácido cítrico, em comparação com a amostra sem o seu uso, nota-se um aumento nas densidades de corrente anódica e catódica em 138% e 48%, respectivamente. Ao comparar os dados das voltametrias entre dois eletrólitos suportes, ambos contendo a mesma concentração de 1,5 M de vanádio, sendo um eletrólito, contendo apenas o ácido sulfúrico e o outro eletrólito, contendo 5 M H2SO4 + 6 M HCl (1:1) e 2,4% m/v de ácido cítrico, neste último foi observado um aumento nas densidades de corrente da voltametria cíclica de 60% para o pico anódico e 25% para o pico catódico. Com base nos ensaios de preparação dos eletrólitos da bateria de fluxo de vanádio, utilizando como eletrólito precursor o VO2+ para o católito, demonstrou que o uso de ácido cítrico foi efetivo. Durante o processo de carga da bateria, o eletrólito inicial de 2 M VO2+ + 5 M H2SO4 + 6 M HCl (1:1) e 4,1% m/v de ácido cítrico, o católito foi completamente oxidado, de forma a se obter uma maior concentração de vanádio VO + 2 . Na preparação do anólito, utilizando o eletrólito inicial de 5 M de H2SO4, 1 M VO + 2 e 13,078 g zinco foi possível chegar na valência V2+, confirmado por seu pico em 855 nm obtido na espectroscopia. Nos ensaios do sistema de bateria de fluxo foi obtido um potencial de circuito aberto de 1,26 V e para a célula a combustível de vanádio uma tensão de 0,80 V

This work aims to prepare electrolytes for VRFB batteries and high energy density fuel cell, since it has received great attention in recent years, as one of the most viable technologies for storing energy from renewable sources, such as wind and solar for applications in stationary generation. However, for automotive use, higher concentrations of vanadium species are necessary to improve their autonomy. The use of 6 M hydrochloric acid, together with 5 M sulfuric acid, in a 1:1 volumetric proportion in the catholyte, when subjected to the cyclic voltammetry technique, provides a 50% increase in the anodic current density in relation to to the use of only sulfuric acid. In addition, it was verified that the use of EDTA and NH4Cl facilitates the reduction of VO + 2 for the valence VO2+ for the valence; the addition of EDTA provides an increase in cathodic current density by 33% and NH4Cl by 50%, when compared to the sample without the use of additives. Through the use of citric acid it was evidenced that it greatly facilitates the reduction of VO + 2 to VO2+, and when analyzing the voltamgrams for the use of 1% m/v of citric acid, compared to the sample without its use, an increase in anodic and cathodic current densities is noted in 138% and 48%, respectively. When comparing the data of the voltametry between two electrolyte smedials, both containing the same concentration of 1.5 M vanadium, being an electrolyte, containing only sulfuric acid and other electrolyte, containing 5 M H2SO4 + 6 M HCl (1:1) and 2.4% m/v of citric acid, in the latter an increase in current densities of cyclic voltametry of 60% for the anodic peak and 25% for the cathode peak was observed. Based on the electrolyte preparation tests of the vanadium flow battery, using the forerunner electrolyte VO2+ for the cathode, it demonstrated that the use of citric acid was effective. During the battery charge process, the initial electrolyte of 2 M VO2+ + 5 M H2SO4 + 6 M HCl (1:1) and 4.1% m/v citric acid, the cathode was completely oxidized in order to obtain a higher concentration of vanadium VO + 2 . In the preparation of the anolite, using the initial electrolyte of 5 M of H2SO4, 1 M VO + 2 and 13.078 g zinc it was possible to arrive at the valence V2+, confirmed by its peak at 855 nm obtained in spectroscopy. In the tests of the flow battery system, an open circuit potential of 1.26 V was obtained and for the vanadium fuel cell a voltage of 0.80 V