Bateria de Fluxo Aquosoorgânico – inorgânicosem metal…

doi: 10.1038/nature12909

Brian Huskinson 1 *, Michael P. Marshak 1,2 *, Changwon Suh 2, Su ¨ Leyman Er 2,3, Michael R. Gerhardt 1, Cooper J. Galvin 2 Xudong Chen 2, Ala'n Aspuru-Guzik 2, Roy G. Gordon 1,2 e Michael J. Aziz 

Contexto

Com o crescimento da geração de eletricidade a partir de fontes renováveis intermitentes.

Tais como a energia solar ou eólica cresce, a capacidade de armazenar grandes quantidades de energia elétrica é de importância crescente.

Mas, Baterias de eléctrodo solido mantem uma descarga no pico de potência por demasiado pouco tempo para regular totalmente de fontes eólica ou solar.

Contexto

Contrastando, as baterias de fluxo são escaláveis independentemente da potencia (área de electro) e de energia (volume de armazenamento de componentes arbitrariamente grande) do sistema através da manutenção de todas as espécies de eletro-ativo em forma fluida. 

Utilização em larga escala de bateras é, no entanto, limitada pela abundância e custo de materiais, especialmente aqueles que utilizam metais redox-ativo e eletro-catalisadores de metais preciosos.

Bateria de Fluxo

Quinonas

Mas uma promissora classe de materiais de armazenamento de energia que explora as propriedades químicas e electroquímicas favoráveis de uma família de moléculas conhecidas como quinonas. 

Características

O exemplo deste demonstrouu uma bateria de fluxo livre de metais com base na química redox de 9,10-antraquinona-2 ,7-disulphonicacid (AQDS). 

AQDS sofre uma redução de dois elétrões e dois prótões extremamente rápida e reversível em um elétrodo de carbono vítreo em ácido sulfúrico. 

Uma bateria de fluxo aquoso com elétrodos de carbono de baixo custo, combinando os pares quinona / hidroquinona com Br 2 / Br 2+  redox.

Produzindo uma densidade de potência de pico superior a galvânica 0.6Wcm 2 em 1.3 A cm2..

Características

O Ciclo desta bateria fluxo quinona-brometo mostra capacidade de retenção de 99% por cento de armazenamento por ciclo. 

As espécies de antraquinona orgânicos podem ser sintetizados a partir de produtos químicos de baixo custo..

Vantagens destas Abordagem

Esta abordagem permite a sintonização orgânica de propriedades importantes, tais como o potencial de redução e de solubilidade por adição de grupos funcionais:

Demonstra-se que a adição de dois grupos hidroxilo a AQDS aumenta o potencial de circuito aberto da célula por 11% e que descrevem um percurso para novos aumentos na tensão da célula.

O uso de moléculas orgânicas redox-ativo p-aromático em vez de metais redox-ativo representa uma nova e promissora direção para a realização maciça de armazenamento de energia elétrica a custo altamente reduzido.

Soluções de AQDS em ácido sulfúrico (lado negativo) e Br2 em HBr (lado positivo) foram bombeadas através de uma célula de fluxo, como se mostra esquematicamente na figura.

esquemática celular e desempenho da célula nos modos galvânicas e

eletrolíticas

Potencial de células versus densidade de corrente em cinco estados diferentes de carga

(SOCs; média de três ciclos); inserção mostra a célula de potencial de circuito aberto contra SOC com melhor ajuste linha sobreposta.

E eq = (0,002683 x SOC) + 0,670; R 2= 0,998

Densidade Potencia Galvânica versus

Densidade de Corrente

Densidade de Potencia Electrolitica versus

Densidade de Corrente

Comportamento dos Ciclos de Carga e Descarga da Célula

Equação Butler-Volmerrespostas observadas

Diagrama de Pourbaix (E 0 vs pH) de AQDS

Modelo de Calibração para ΔH f e Experimental εº

Gráficos Cíclicos voltamogramas AQDS

Comportamento Cíclico com Eletrólito HBr em ambos os lados

AQDS revisto pelo calculo teórico