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Batería de zinc-cerio

Diagrama de la batería de flujo redox dividida de zinc-cerio

Las baterías de zinc-cerio son un tipo de batería de flujo redox desarrollada por primera vez por Plurion Inc. (Reino Unido) durante la década de 2000. [1] [2] En esta batería recargable , tanto los electrolitos negativos de zinc como los positivos de cerio circulan a través de un reactor de flujo electroquímico durante la operación y se almacenan en dos depósitos separados. Los compartimentos de electrolitos negativo y positivo en el reactor electroquímico están separados por una membrana de intercambio catiónico, normalmente Nafion ( DuPont ). Las reacciones redox Ce(III)/Ce(IV) y Zn(II)/Zn tienen lugar en los electrodos positivo y negativo, respectivamente. Dado que el zinc se galvaniza durante la carga en el electrodo negativo, este sistema se clasifica como una batería de flujo híbrido. A diferencia de las baterías de flujo redox de zinc-bromo y zinc-cloro, no se necesita ningún dispositivo de condensación para disolver los gases halógenos. Los reactivos utilizados en el sistema zinc-cerio son considerablemente menos costosos que los utilizados en la batería de flujo de vanadio.

Debido a los altos potenciales de electrodo estándar de las reacciones redox de zinc y cerio en medios acuosos, el voltaje de la celda de circuito abierto es tan alto como 2,43 V. [1] Entre los otros sistemas de baterías de flujo acuoso recargables propuestos , este sistema tiene la celda más grande El voltaje y su densidad de potencia por área de electrodo son superados solo por la batería de flujo H2-Br2. [3] El ácido metanosulfónico se utiliza como electrolito de soporte, ya que permite altas concentraciones tanto de zinc como de cerio; la solubilidad de los metanosulfonatos correspondientes es 2,1 M para Zn, [4] 2,4 M para Ce(III) y hasta 1,0 M para Ce(IV). [5] El ácido metanosulfónico es particularmente adecuado para aplicaciones electroquímicas industriales y se considera una alternativa ecológica a otros electrolitos de soporte. [4]

La batería de flujo de Zn-Ce aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. El principal desafío tecnológico es el control de la ineficiencia y la autodescarga (corrosión del Zn mediante desprendimiento de hidrógeno) en el electrodo negativo. En términos comerciales, la necesidad de costosos electrodos de Pt-Ti aumenta el coste de capital del sistema en comparación con otros RFB.

química celular

En el electrodo negativo (ánodo), el zinc se galvaniza y se pela sobre los electrodos de polímero de carbono durante la carga y descarga, respectivamente. [6] [7] [8]

Zn 2+ (aq) + 2e − ⇌ Zn (s)
(-0,76 V frente a ELLA)

En el electrodo positivo (cátodo) (materiales a base de titanio o electrodo de fieltro de carbono), la oxidación del Ce(III) y la reducción del Ce(IV) tienen lugar durante la carga y descarga, respectivamente. [9] [10]

Ce 4+ (ac) + e − ⇌ Ce 3+ (ac)
(aprox. +1,44 V frente a ELLA)

Debido al alto voltaje de la celda, el hidrógeno (0 V frente a SHE) y el oxígeno (+1,23 V frente a SHE) podrían evolucionar teóricamente como reacciones secundarias durante el funcionamiento de la batería (especialmente durante la carga). [11] El electrolito positivo es una solución de metanosulfonato de cerio (III) .

Historia y desarrollo

La batería de flujo redox de zinc-cerio fue propuesta por primera vez por Clarke y sus colaboradores en 2004, [1] [2] , que ha sido la tecnología central de Plurion Inc. (Reino Unido). En 2008, Plurion Inc. sufrió una crisis de liquidez y estuvo en liquidación en 2010 y la empresa se disolvió formalmente en 2012. Sin embargo, la información sobre las condiciones experimentales y el rendimiento de carga y descarga descritos en las primeras patentes de Plurion Inc. es limitada. Desde la década de 2010, investigadores de las universidades de Southampton y Strathclyde han identificado las propiedades electroquímicas y la caracterización de una batería de flujo redox de zinc-cerio . Durante los ciclos de carga/descarga a 50 mA cm −2 , se informó que las eficiencias culombicas y de voltaje de la batería de flujo redox de zinc-cerio fueron del 92 y el 68 %, respectivamente. [12] En 2011, se propuso un sistema de zinc-cerio sin membrana (indiviso) basado en un electrolito de baja concentración de ácido que utiliza piezas comprimidas de electrodo positivo de fieltro de carbono. Se informó que el voltaje de la celda de descarga y la eficiencia energética eran aproximadamente 2,1 V y 75 %, respectivamente. Con una configuración tan indivisa (un solo compartimento de electrolito), la autodescarga fue relativamente lenta en concentraciones bajas de cerio y ácido. [13] [14] La instalación principal de la batería de flujo redox de zinc-cerio fue la instalación de pruebas de > 2 kW en Glenrothes , Escocia , instalada por Plurion Inc. El uso de electrolitos ácidos mixtos para la media celda positiva se ha investigado como una pretende aumentar la cinética de la reacción redox del cerio en el Laboratorio Estatal Clave de Utilización de Recursos de Tierras Raras y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Jiangxi, China. [15] [16] Los recubrimientos de platino-iridio han mostrado el mejor rendimiento como electrodos positivos para la batería, siendo menos costosos que los electrodos de platino. [17] Se ha simulado preliminarmente la carga-descarga del sistema. [18] La investigación sobre ácidos mixtos continúa y se ha demostrado que bajas concentraciones de ácido clorhídrico pueden mejorar la respuesta electroquímica de la reacción del cerio, mientras que las adiciones de ácido nítrico tuvieron resultados negativos. [19] El carbón poroso jerárquico como electrodo positivo ha producido un mejor rendimiento que el fieltro de carbón en experimentos a escala de laboratorio. [20] La electrodeposición de zinc sobre el electrodo negativo se ha estudiado utilizando una celda Hull. [21] El papel carbón también se ha estudiado como material alternativo para el electrodo positivo. [22]Los compuestos de óxido de grafeno y grafito se han mostrado prometedores como un mejor material de electrodo catalítico para la reacción del cerio en el electrolito positivo. [23] Se ha propuesto un RFB similar con cerio y plomo. [24] Los electrodos modificados con indio se han sugerido como una alternativa al carbón grafitado convencional como electrodos negativos. [25] El sistema Zn-Ce ha introducido el uso de este ácido en otras baterías de flujo como una mejor alternativa al ácido sulfúrico. Se ha estimado la relación entre el potencial de la celda y la densidad de corriente para una celda de flujo unitario de Zn-Ce. [26] Esto permitió racionalizar la contribución de los componentes termodinámicos, cinéticos y óhmicos del voltaje de la batería y evaluar el efecto del aumento de la separación entre electrodos.

Se ha revisado el desarrollo de la batería Zn-Ce, [27] así como la tecnología electroquímica de conversión de cerio para aplicaciones industriales, [28] que incluyen almacenamiento de energía, descontaminación nuclear, síntesis orgánica indirecta, destrucción de orgánicos peligrosos y lavado de gases. .

Ver también

Referencias

  1. ^ abc RL Clarke, BJ Dougherty, S. Harrison, PJ Millington, S. Mohanta, US 2004/0202925 A1, Baterías de cerio, (2004).
  2. ^ ab RL Clarke, BJ Dougherty, S. Harrison, JP Millington, S. Mohanta, US 2006/0063065 A1, Batería con electrolito bifuncional, (2005).
  3. ^ Leung, PK; Ponce de León, C.; Bajo, CJT; Walsh, FC (2011). "Ce (III) / Ce (IV) en ácido metanosulfónico como media celda positiva de una batería de flujo redox". Acta electroquímica . 56 (5): 2145–2153. doi :10.1016/j.electacta.2010.12.038.
  4. ^ ab Gernon, MD; Wu, M.; Buszta, T.; Janney, P. (1999). "Beneficios ambientales del ácido metanosulfónico: propiedades y ventajas comparativas". Química verde . 1 (3): 127–140. doi :10.1039/a900157c.
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  8. ^ Leung, PK; Ponce de León, C.; Bajo, CTJ; Walsh, FC (2011). "Deposición y disolución de zinc en ácido metanosulfónico sobre un electrodo compuesto de carbono como reacción del electrodo negativo en una batería híbrida de flujo redox". Acta electroquímica . 56 (18): 6536–6546. doi :10.1016/j.electacta.2011.04.111.
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enlaces externos