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Nas últimas décadas, a contínua emissão de gases de efeito de estufa tem causado uma preocupação a nível mundial. Fontes de energias renováveis de grande escala têm sido implementadas (maioritariamente energias solar e eólica), para diminuição do impacto nefasto destes gases no ambiente. No entanto, a intermitência associada a estas fontes de energia requer a utilização de sistemas de armazenamento. As baterias de escoamento aquosas (ARFBs) são particularmente atrativas para o armazenamento estacionário de energia, devido à sua maior segurança, desacoplamento entre energia e capacidade, e tempo de vida útil prolongado. As ARFBs mais conhecidas são baseadas em vanádio mas associadas a baixas densidade energéticas (≤ 25 Wh∙L-1), além dos consideráveis riscos à saúde e ambientais resultantes do uso de V. Desta forma, é notória a necessidade crítica do desenvolvimento de novos eletrólitos, mais ecológicos e seguros. O uso de ferro tem atraído atenção devido à sua maior sustentabilidade ambiental, vasta disponibilidade, e baixo custo. Um dos maiores problemas associados às RFBs baseadas em Fe (IRFBs) é a ocorrência da passagem de espécies ativas através da membrana, levando à perda permanente de capacidade da bateria. Além disto, as IRFBs convencionais acarretam preocupações ao nível de segurança e eficiência, devido à possível formação de dendrites (promovida por mecanismos de deposição/dissolução de Fe metálico). Para mitigar este problema, podem ser utilizados complexos organometálicos de Fe, tais como Fe(TEA), Fe(EDTA), ou Fe(DIPSO), que quando aplicados neste campo, têm demonstrado uma elevada estabilidade em ambientes ácidos e alcalinos. Uma atenção redobrada deve ser dada ao desenvolvimento de complexos estáveis em ambientes aquosos quase neutros ou neutros, evitando assim as condicionantes inerentes ao manuseamento e tratamento de eletrólitos altamente acídicos/alcalinos. Para este efeito, IRONFLOW irá envolver a utilização de complexos de Fe, nome  |
Resumo
Nas últimas décadas, a contínua emissão de gases de efeito de estufa tem causado uma preocupação a nível mundial. Fontes de energias renováveis de grande escala têm sido implementadas (maioritariamente energias solar e eólica), para diminuição do impacto nefasto destes gases no ambiente. No entanto, a intermitência associada a estas fontes de energia requer a utilização de sistemas de armazenamento. As baterias de escoamento aquosas (ARFBs) são particularmente atrativas para o armazenamento estacionário de energia, devido à sua maior segurança, desacoplamento entre energia e capacidade, e tempo de vida útil prolongado. As ARFBs mais conhecidas são baseadas em vanádio mas associadas a baixas densidade energéticas (≤ 25 Wh∙L-1), além dos consideráveis riscos à saúde e ambientais resultantes do uso de V. Desta forma, é notória a necessidade crítica do desenvolvimento de novos eletrólitos, mais ecológicos e seguros. O uso de ferro tem atraído atenção devido à sua maior sustentabilidade ambiental, vasta disponibilidade, e baixo custo. Um dos maiores problemas associados às RFBs baseadas em Fe (IRFBs) é a ocorrência da passagem de espécies ativas através da membrana, levando à perda permanente de capacidade da bateria. Além disto, as IRFBs convencionais acarretam preocupações ao nível de segurança e eficiência, devido à possível formação de dendrites (promovida por mecanismos de deposição/dissolução de Fe metálico). Para mitigar este problema, podem ser utilizados complexos organometálicos de Fe, tais como Fe(TEA), Fe(EDTA), ou Fe(DIPSO), que quando aplicados neste campo, têm demonstrado uma elevada estabilidade em ambientes ácidos e alcalinos. Uma atenção redobrada deve ser dada ao desenvolvimento de complexos estáveis em ambientes aquosos quase neutros ou neutros, evitando assim as condicionantes inerentes ao manuseamento e tratamento de eletrólitos altamente acídicos/alcalinos. Para este efeito, IRONFLOW irá envolver a utilização de complexos de Fe, nomeadamente ferrocianeto, Fe-bipiridina, e Fe-glicina, incluindo a otimização da solubilidade e estabilidade destes complexos para ambientes neutros, atingindo-se maiores capacidades nas baterias e consequentemente mais eficientes e ecológicas. Desta forma, a otimização do eletrólito positivo contendo complexos organometálicos à base de Fe, será efetuada através de: a) aplicação de DFT (Density Functional Theory) para avaliar eletrólitos potencialmente adequados, tendo em conta a sua solubilidade e propriedades elétricas; b) validação experimental e testagem de parâmetros do eletrólito positivo; e c) determinação do eletrólito negativo mais promissor, focando em complexos de Fe ou Zn. Para o desenvolvimento de uma IRFB eficiente, IRONFLOW irá focar-se na otimização sistemática dos vários componentes, abordando problemas comumente associados à membrana e aos elétrodos. O custo de membranas convencionais NafionTM pode ser impeditivo para a produção a grande escala e acessibilidade de RFBs. Assim, IRONFLOW visa à redução do custo da membrana através da diminuição da espessura, garantindo simultaneamente a manutenção da estabilidade a longo prazo e desempenho da bateria através da funcionalização com redes inorgânicas, induzida por sol-gel. Relativamente aos elétrodos, feltros de grafite convencionais apresentam atividade eletroquímica inadequada e, por isso, a melhoria da sua condutividade é crítica. IRONFLOW irá abordar este problema de dois modos diferentes, nomeadamente através da funcionalização com espécies condutoras baseadas em carbono, tais como óxido de grafeno ou carbono negro, e através do uso de papel de carbono em conjunto com caminhos de distribuição de fluído como alternativa aos feltros de grafite. Para além da otimização de componentes em função do eletrólito desenvolvido, será também abordada a otimização do fluxo no interior da célula através de modelos computacionais dinâmicos (CFD), validados experimentalmente através da montagem e avaliação das configurações mais promissoras de caminhos de distribuição de fluído.
Em suma, IRONFLOW almeja ao desenvolvimento de uma RFB utilizando eletrólitos de Fe eco-sustentáveis com pH neutro. A configuração da IRFB será otimizada como um todo, levando à construção de um protótipo eficiente. A otimização será empregue em várias frentes, nomeadamente através da otimização sistemática do eletrólito, do eletrólito de suporte, da membrana, dos elétrodos, dos pratos bipolares e do fluxo de eletrólito na célula. Configurações convencionais de VRFBs serão usadas como referência para a avaliação dos indicadores de desempenho dos protótipos IRONFLOW. Deste modo, IRONFLOW irá envolver o desenvolvimento de uma RFB baseada em Fe, ecológica, e de baixo custo, com uma densidade de energia de 25-35 Wh∙L-1, almejando a eficiências Coulômbicas de 99-100%, com 98-100% de retenção de capacidade por ciclo e densidades de corrente entre 100-150 mA∙cm-2, ao longo de um período de ciclos considerável. |