Estudo cinético de caracterização de carbonos duros condutores e o armazenamento de energia em baterias de fluxo usando íons de ferro

Abstract

A busca por progressos tecnológicos no campo do armazenamento de energias limpas e renováveis provenientes de fontes intermitentes (ou flutuantes) como as eólicas e solares, especialmente via processos eletroquímicos, motiva a busca de novos materiais condutores de eletricidade para atuarem como catodos (ativos ou passivos) nos dispositivos armazenadores denominados baterias de fluxo de íons (BFI). A otimização de catodos visa aumentar a eficiência do processo de conversão durante o armazenamento da energia mediante inibição de reações paralelas. No presente trabalho, foram obtidos e caracterizados catodos constituídos de carbonos duros (GrH) sintetizados na presença (GrH-Nb) e ausência (GrH) de pentóxido de nióbio (Nb2O5), onde os flocos de grafite comercial (Gr) foram dispersos numa mistura adequada contendo agentes plastificantes e endurecedores. Comparados ao Gr comercial, verificou-se que os GrHs exibiram moderada condutividade elétrica e excelente resistência aos desgastes químicos e erosivos em meio ácido. A resistividade dos GrHs é fortemente dependente da quantidade de Nb2O5. Os GrHs foram caracterizados em célula eletroquímica de vidro convencional de único compartimento contendo três eletrodos usando as técnicas de voltametria de varredura linear e cíclica. Os parâmetros cinéticos referentes às reações de desprendimento de hidrogênio (RDH) e de oxigênio (RDO) foram determinados usando a Lei de Tafel. Verificou-se que os eletrodos GrH-Nbs e GrHs ampliam significativamente o intervalo de potencial frente ao Gr comercial devido forte inibição cinética da RDH e RDO. Os estudos cinéticos usando o método proposto por Nicholson-Shain revelaram que a constante cinética heterogênea (k0) para a sonda redox de ferro varia com a composição dos GrHs. Foi confeccionado um dispositivo BFI para os estudos na condição de fluxo tendo-se como processo anódico o par redox Fe0/Fe2+ e como processo catódico o par Fe2+/Fe3+. O GrH-Nb contendo 10% de Nb2O5 (28 Ω cm) foi escolhido para uso como cátodo. Os compartimentos catódico e anódico foram separados usando a membrana Nafion® 117 da Dupont para evitar que o contato entre os íons Fe3+ do catodo e o Fe0 do anodo promovessem a reação redox direta que inibe a reação de pilha/galvânica desejada. Verificou-se uma força eletromotriz (FEM) para a BFI de 1,053 V. Os estudos preliminares de carga-descarga galvanostática (GCD) revelaram uma excelente eficiência coulômbica (> 99%) para um total de 300 ciclos consecutivos. Os resultados obtidos até a ocasião da qualificação permitem afirmar que os GrHs são materiais promissores para aplicação em BFIs.