Caracterización de electrolitos, basados en sulfatos y cloruros, como anolitos de una batería de flujo de todo-hierro acuosa

Abstract

[ES] Dada la actual crisis energética, el mercado necesita de sistemas de almacenamiento de energía económicos, respetuosos con el medio ambiente y eficientes, que permitan compensar la intermitencia de las energías renovables y afrontar el aumento de la demanda energética. Ante esta problemática, las baterías de flujo redox, o RFBs (Redox Flow Batteries), poseen tiempos de almacenamiento de energía relativamente elevados y costes razonables, lo que las convierte en una potencial solución para el problema del almacenamiento de energía. Existen diferentes tipos de RFBs, en función de la química en la que se basan, como, por ejemplo, la de todo-hierro. Estas baterías emplean hierro en distintos estados de oxidación en ambos compartimentos. Por un lado, en la descarga de la batería, el hierro metálico se oxida a hierro (II), y el hierro (III) se reduce a hierro (II), generando una corriente de electrones por el circuito externo. Por otro lado, durante la carga de la batería, se invierte el sentido de estas reacciones, gracias al aporte de energía eléctrica externa (que se almacena en la batería). Algunas de las ventajas que conlleva emplear hierro frente a otros metales (e.g. vanadio o cerio), son su precio, su distribución geográfica homogénea, y la ausencia de problemas medioambientales y de seguridad derivados de su uso. Los inconvenientes asociados al empleo de baterías de todo-hierro son su bajo rendimiento farádico (causado por reacciones parásitas de evolución de gases) y su baja densidad energética (limitada por la solubilidad del hierro en el electrolito).

El presente trabajo tiene por objetivo comparar una serie de electrolitos como anolitos de una RFB de todo-hierro. Las características que debe tener un electrolito para ser considerado un buen anolito son: (1) Cinética rápida y reversible para la reacción de Fe3+|Fe2+; (2) elevada selectividad hacia la reacción de interés (Fe3+|Fe2+), de manera que se eviten reacciones parásitas que disminuyan el rendimiento farádico, como la evolución de gases; (3) elevada velocidad de transporte de materia, de manera que se minimicen las pérdidas por concentración; (4) elevada conductividad del electrolito y (5) gran solubilidad del hierro en el electrolito estudiado, con el objetivo de maximizar la densidad energética.

En este TFG se evaluaron los parámetros que cuantifican los criterios anteriores, para cada uno de los electrolitos considerados. Para la elección de electrolitos, se consideraron dos medios: sulfato y cloruro, con diferentes pHs. Los criterios relativos a la cinética, transporte de materia, selectividad hacia la reacción Fe3+|Fe2+ y conductividad del electrolito fueron cuantificados experimentalmente, mientras que el criterio relativo a la solubilidad fue determinado por simulación, basada en cálculos de equilibrio termodinámico.

[EN] Given the current energy crisis, the market needs economical, environmentally friendly and efficient energy storage systems that can compensate for the intermittency of renewable energies and address the increase in energy demand. Redox flow batteries (RFBs), have relatively high energy storage times and reasonable costs, which makes them a potential solution to the problem of energy storage. There are different types of RFBs, depending on the chemistry on which they are based, such as the all-iron one. These batteries use iron in different oxidation states in both compartments. On the one hand, when the battery is discharged, the metallic iron is oxidized to iron (II), and the iron (III) is reduced to iron (II), generating a current of electrons through the external circuit. On the other hand, during battery charging, the direction of these reactions is reversed, thanks to the input of external electrical energy (which is stored in the battery). Some of the advantages of using iron over other metals, such as vanadium or cerium, are its price, its homogeneous geographical distribution, and the absence of environmental and safety problems derived from its use. The drawbacks of all-iron batteries are their low faradic efficiency (caused by parasitic gas evolution reactions) and their low energy density (limited by the solubility of iron in the electrolyte).

The present work aims to compare a series of electrolytes as anolytes of an all-iron RFB. The characteristics that an electrolyte must have to be considered a good anolyte are: (1) Fast and reversible kinetics for the Fe3+|Fe2+ reaction; (2) high selectivity towards the reaction of interest (Fe3+|Fe2+), so that parasitic reactions that reduce faradic efficiency, such as gas evolution, are avoided; (3) high speed of matter transport, so that concentration losses are minimized; (4) high conductivity of the electrolyte and (5) great solubility of iron in the electrolyte, in order to maximise the energy density.

In this TFG, the parameters that quantify the previous criteria were evaluated, for each of the considered electrolytes. Two electrolytes were considered: chloride and sulfate, with different pHs. The criteria related to kinetics, mass transport, selectivity towards the Fe3+|Fe2+ reaction and conductivity of the electrolyte were quantified experimentally, while the solubility of iron was estimated by simulation, based on thermodynamic equilibrium calculations.