In un articolo scientifico pubblicato su ChemElectroChem, ingegneri belgi e tedeschi hanno dimostrato con successo la fabbricazione e il collaudo di un elettrodo in sospensione di titanio, dimostrando che si tratta di un mezzo praticabile per aumentare la densità di corrente di picco rispetto alle soluzioni preparate convenzionalmente.
Ecco lo studio
Elettrodi miscelatori statici a base di titanio per migliorare la densità di corrente degli elettrodi per fanghi **
Dottor Korcan Percin, Il dottor Jonas Hereijgers, Nicola Mulandi, Prof. Dott. Tom Breugelmans, Prof. Matthias Wessling
** Questo manoscritto è derivato da una parte di una tesi di dottorato (DOI: 10.18154/RWTH-2021-05314)
Distributori di flusso in titanio stampati in 3D : gli elettrodi a base di titanio altamente conduttivi sono preparati per la batteria a flusso redox al vanadio con elettrodi in sospensione. Il processo di stampa indiretta rende realizzabili queste complesse geometrie. Le prestazioni risultanti della batteria mostrano densità di corrente di polarizzazione fino a 110 mAcm −2 .
Le geometrie complesse per gli elettrodi rappresentano una grande sfida nelle applicazioni elettrochimiche. Gli elettrodi per impasto liquido sono stati un esempio, che utilizza distributori di flusso complessi per migliorare il trasferimento di carica tra il collettore di corrente e le particelle di impasto liquido. Qui utilizziamo distributori di flusso a base di titanio prodotti mediante stampa 3D indiretta per migliorare ulteriormente il trasferimento di elettroni da distributori di flusso altamente conduttivi alle particelle di impasto liquido per un’applicazione di flusso redox al vanadio. I miscelatori statici in titanio sono rivestiti direttamente con grafite per aumentare l’attività per le reazioni redox del vanadio. Strati crescenti di grafite hanno mostrato un ottimo per gli elettroliti positivi e negativi. L’applicazione del trattamento termico sugli elettrodi migliora drasticamente i picchi di corrente anodica e catodica.-2 polarizzazione di scarica.
introduzione
Gli elettrodi slurry, dispersione di particelle conduttive in elettrolita liquido, sono stati studiati nel secolo scorso come sostituti degli elettrodi statici solido-porosi nelle applicazioni elettrochimiche. Una delle prime applicazioni degli elettrodi per fanghi è il trattamento delle acque reflue. 1 – 3 Più recentemente, gli elettrodi per impasto liquido possono essere trovati nelle tecnologie di desalinizzazione dell’acqua, come la deionizzazione capacitiva di flusso. 4,5 Allo stesso tempo , l’interesse per gli elettrodi a sospensione è aumentato e si è esteso a diversi processi elettrochimici, come i sistemi di accumulo di energia. Inizialmente, le batterie zinco-aria hanno iniziato a utilizzare elettrodi a sospensione, 6 – 9 , seguite da batterie a flusso redox al ferro, 10tecnologie agli ioni di litio, 11 – 13 e condensatori di flusso elettrochimici. 14 , 15 Una delle ultime applicazioni per gli elettrodi a sospensione è stata introdotta per una batteria a flusso redox al vanadio (VRFB). 16 Tuttavia, ci sono ancora molte possibilità in cui gli elettrodi per impasto liquido possono essere utilizzati per sostituire gli elettrodi tradizionali. Tuttavia, rivelare il vero potenziale degli elettrodi a sospensione dipende in gran parte dalla comprensione della natura di questi sistemi complessi. Ulteriori studi sono quindi essenziali per la percezione delle caratteristiche dello slurry e la realizzazione nei sistemi elettrochimici.
Gli elettrodi a sospensione sono realizzati disperdendo particelle conduttive in un mezzo elettrolitico. Il trasferimento di elettroni è mantenuto dal collettore particella-corrente e dalle interazioni particella-particella. I contatti che appaiono e scompaiono continuamente tra le particelle e il collettore di corrente consentono il trasferimento di carica da e verso le particelle, rendendo il sistema dei fanghi altamente dinamico. Comunemente, i reattori elettrochimici che utilizzano impasti sono progettati come un sistema a letto fluidizzato 17 o un sistema di elettrodi a flusso continuo. 18 Una delle sfide distinte nei sistemi a liquame è dovuta alla natura della dispersione. Una dispersione di slurry è un fluido che assottiglia il taglio in condizioni di flusso laminare, determinando una velocità di flusso notevolmente ridotta in prossimità dei collettori di corrente. 19La bassa velocità del flusso provoca la formazione di uno strato di particelle sulla superficie del collettore di corrente che limita il trasferimento di carica da e verso la maggior parte degli elettrodi di sospensione che sono più lontani dalla superficie del collettore di corrente. Questo fenomeno è dimostrato anche da Lohaus et al. con uno studio simulativo. 20 In precedenza abbiamo affrontato questa sfida utilizzando miscelatori statici, un approccio dai processi di separazione a membrana, 21 , 22 in cui i miscelatori statici migliorano le condizioni di flusso creando flussi secondari nel reattore. 16 , 23 , 24 I miscelatori statici hanno dimostrato di essere un approccio promettente per l’utilizzo degli elettrodi di sospensione, che è stato presentato nel processo elettrochimico di VRFB.
Un VRFB è un processo di accumulo di energia, in cui il vanadio viene utilizzato come materiale attivo redox in entrambe le semicelle. VRFB utilizza le reazioni redox di – nella semicella positiva e – nella semicella negativa. Gli elettrodi di tipo carta o feltro a base di carbonio sono il tipico materiale di scelta nei VRFB commercializzati non a base di fanghi. Nel perseguire la sostituzione di questi elettrodi standard con elettrodi per liquami, abbiamo integrato miscelatori statici stampati in 3D (3DSM) nei canali di flusso della batteria in un lavoro precedente. Per un’efficace implementazione dei miscelatori statici (SM), è stato introdotto un rivestimento conduttivo. Lo strato conduttivo sugli SM consente loro di agire anche come collettori di corrente, estendendo la possibile superficie di trasferimento di carica dai collettori di corrente alle particelle, migliorando contemporaneamente il profilo di flusso miscelando il flusso dell’elettrolita. Tuttavia, questo rivestimento conduttivo ha mostrato un’elevata resistività elettrica, che potrebbe aver limitato le prestazioni degli SM. 16 ,24
Numerosi progetti per SM sono già stati studiati, 22 , 25 ma l’applicazione di miscelatori statici conduttivi nei processi elettrochimici è limitata, a causa dei vincoli di costruzione di strutture complesse con elettrodi altamente conduttivi, come materiali metallici o carboniosi. Inoltre, i processi elettrochimici dipendono solitamente da specifici materiali degli elettrodi, che dovrebbero mostrare un comportamento stabile in mezzi altamente acidi o alcalini e un potenziale elettrico applicato. Lolberg et al. ha studiato le proprietà di trasporto di massa di un reattore SM in acciaio inossidabile, prodotto mediante fusione laser selettiva. I risultati di questo lavoro hanno indicato una maggiore densità di corrente limite per una tipica reazione redox. 23Recentemente, Bayatsarmadi et al. ha pubblicato un nuovo progetto per SM, progettato con l’aiuto della fluidodinamica computazionale. L’SM è stato prodotto da una lega di titanio mediante il metodo di fusione a fascio di elettroni e successivamente rivestito di platino per la stabilità. Hereijgers et al. ha confrontato diversi elettrodi SM in nichel stampati in 3D con elettrodi piatti e in feltro, mostrando un aumento delle prestazioni di un ordine di grandezza. 26 Questi risultati dimostrano l’importanza del progetto del miscelatore statico sulle proprietà di trasporto di massa di una cella elettrochimica. 27 Evidentemente, gli sviluppi nei metodi di produzione additiva stanno aprendo maggiori opportunità nella progettazione di reattori elettrochimici. 28 , 29
In questo studio, ipotizziamo che se utilizziamo miscelatori statici altamente conduttivi per un VRFB a base di liquami, possiamo migliorare ulteriormente la densità di corrente nel sistema migliorando il trasferimento di carica. Pertanto, i miscelatori statici in titanio (TiSM) sono prodotti mediante stampa 3D indiretta 30 e una cella di flusso appositamente progettata viene utilizzata per valutare il comportamento di polarizzazione degli SM altamente conduttivi per un VRFB a base di slurry.
Materiali e metodi
Materiali
Come collettori di corrente vengono utilizzate lastre di grafite impregnate con resina epossidica (Mueller & Roessner GmbH, Germania). Come membrana a scambio cationico viene utilizzata una fumapem® F-14100 ( FuMA -Tech GmbH, Germania). I miscelatori statici in titanio sono prodotti mediante stampa 3D indiretta e rivestiti a spruzzo con una vernice conduttiva (Graphit 33, CRC Industries Deutschland GmbH, Germania), per renderla elettrochimicamente attiva. Un adesivo conduttivo, Leit-C (Sigma-Aldrich Chemie GmbH), viene utilizzato per diminuire le resistenze di contatto tra miscelatori statici e collettori di corrente.
Gli esperimenti VRFB sono condotti con elettrolita di vanadio disponibile in commercio (GFE-AMG Titanium Alloys & Coatings) costituito da 0,8 MV(III), 0,8 MV(IV) in una concentrazione totale di 4,5 M di solfato. Gli elettrodi in sospensione vengono preparati disperdendo polvere di grafite (sintetica, 20 μm, 20 m 2 g −1 , Sigma-Aldrich Chemie GmbH) nell’elettrolita.
L’articolo continua su https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/celc.202200928?af=R
