Bateria totalmente de ferro de código aberto para armazenamento de energia renovável

Resumo

O preço da energia renovável está caindo rapidamente. O armazenamento de energia será necessário para tirar o máximo proveito de fontes de energia abundantes, mas intermitentes. Mesmo com economias de escala, o preço é proibitivamente alto para uma bateria de lítio-íon capaz de armazenar dezenas de kilowatts de energia para muitos consumidores. Um material mais abundante e menos caro é necessário. A química totalmente em ferro apresenta uma oportunidade transformadora para o armazenamento estacionário de energia: é simples, barato, abundante e seguro. As baterias totalmente de ferro podem armazenar energia reduzindo o ferro (II) ao ferro metálico no ânodo e o ferro oxidante (II) ao ferro (III) no cátodo. A célula total é altamente estável, eficiente, não tóxica e segura. O custo total dos materiais é de US $ 0,1 por watt-hora de capacidade a preços de atacado. Essa bateria pode ser um componente útil de projetos de hardware de código aberto que exigem uma bateria segura e ecologicamente correta. Esta é também uma das poucas químicas de baterias que podem ser construídas com segurança em um ambiente de bricolage.

Resumo gráfico

 

    Nome do hardware Bateria All-Iron de Código Aberto
    Área da matéria

    Química e Bioquímica

    Tipo de hardware

    Engenharia Elétrica e Ciência da Computação

    Licença de código aberto CC-BY-3.0
    Custo de Hardware US $ 1 por célula de 50 g; custo de set-up $ 300
    Repositório de arquivos de origem https://osf.io/4jvr9/

    Hardware no contexto

    A bateria totalmente de ferro é uma célula eletroquímica para alimentar um dispositivo eletrônico. Contém dois reagentes químicos, um dos quais é oxidado e o outro é reduzido. O resultado é o fluxo de corrente através de uma carga elétrica conectada. A célula toda de ferro é semelhante a células eletroquímicas históricas como a célula Edison (ferro-níquel, desenvolvida pela primeira vez em 1901). As baterias recarregáveis ​​comerciais usam um cátodo de níquel e um cátodo de hidreto de metal (tipo NiMH) ou um cátodo de fosfato de ferro e um ânodo de grafite litiado (tipo de íon de lítio) [1]. As baterias de ferro têm menor energia específica (watt-hora por quilograma) do que as células comerciais, mas possuem reagentes de baixo custo e apresentam oportunidades para construção e experimentação mais simples. Os hidretos de lítio e metal são tóxicos, inflamáveis ​​e reagem violentamente com a água e se corroem no ar. O ferro é comparativamente não-tóxico e é apenas ligeiramente reativo com a água e o ar (isto é, enferruja).

    As baterias de ferro foram publicadas anteriormente e estão sendo implantadas comercialmente (por exemplo, ESS, inc [2] ). Várias químicas de ferro têm sido usadas em baterias de fluxo [3] . As baterias de fluxo usam soluções dos materiais ativos redox bombeados através de uma célula eletroquímica. Eles são flexíveis: a capacidade de energia (limitada pelo tamanho do tanque de armazenamento químico) é independente da capacidade de energia (limitada pelo tamanho da célula na qual as reações químicas acontecem). Um exemplo de uma bateria de fluxo totalmente de ferro inclui uma bateria de fluxo solúvel por Yan e colaboradores [4] . Outra bateria de fluxo usa uma suspensão de pó de ferro como a química do ânodo [5] . Uma bateria de fluxo foi projetada para uso em configurações fora da rede [6]. As baterias de fluxo têm a desvantagem de precisarem de bombas e encanamentos para levar a química armazenada a uma célula de fluxo eletroquímica para permitir a carga ou a descarga. Uma bateria de ferro não reversível foi apresentada em 2016 como uma possível fonte de energia para recarregar telefones ou outros dispositivos em locais remotos [7] . Uma “sucata de metal” sem fluxo, também conhecida como “The Vanderbilt Battery”, também foi apresentada em 2016 com base em ferro e latão (comumente encontrado em sucata) [8] .

    Apresentamos aqui uma bateria totalmente recarregável de ferro com um ânodo de metal de ferro e um cátodo de sulfato de ferro (III). Baseia-se em química aquosa e, portanto, não é inflamável. Os componentes químicos e de hardware são baratos e são mais fáceis de construir e operar do que uma bateria de fluxo. Uma vez montado, tem um pH neutro e é muito seguro e ecológico. Nossa bateria totalmente de ferro ainda é consideravelmente mais prática do que as células de zinco / cobre (por exemplo, disponível como kit educacional pela hyLyte Education [9] ) ou as típicas baterias “potato cell” que às vezes são usadas nas salas de aula. Nenhuma célula de demonstração é recarregável, pois a oxidação do zinco não é reversível na água.

    Descrição de hardware.

    A célula eletroquímica galvânica totalmente de ferro descarrega e libera energia ( Fig. 1 A). Durante a descarga, o ferro oxida no ânodo e reduz um sal de ferro no cátodo. Nosso projeto usa lã de aço (ânodo) e um sal de ferro férrico precipitado (cátodo), além de coletores de corrente de feltro de carbono e eletrodos de grafite. No nível mais básico, as meias reações foram projetadas da seguinte maneira, no ânodo:

    (1)FeFe2++2e

    A Fig. 1 . (A): O esquema de baterias totalmente de ferro, mostrando todos os principais componentes que interagem. (B): Uma demonstração de uma única célula e sua voltagem após o carregamento.

    E no cátodo:

    (2)e+Fe3+Fe2+

    Na prática, as reações são mais complexas. O potencial de células abertas desta célula é de 0,5 a 0,7 V (dependendo do estado de carga). Este potencial eletroquímico é consistente com um número de possíveis reações redox de ferro. Uma hipótese para as reações da célula é a seguinte.

    No ânodo, o ferro é oxidado a Fe 2+ solúvel . O potencial de oxidação padrão de meia reação dessa reação é 0,45 V:

    (3)FeFe2++2e

    No cátodo, o óxido de ferro férrico é reduzido para hidróxido de ferro ferroso com um potencial de redução padrão de 0,16 V:

    (4)Fe2O3+2e+4H+FeOH++H2O

    Isto dá um potencial de célula de 0,61 V em condições padrão (por Manual de CRC [10] ) em concordância grosseira com nossos resultados. No entanto, ainda não podemos concluir que essas reações específicas estão ocorrendo. Qualquer um dos vários precipitados com estados de oxidação mistos pode estar envolvido (por exemplo, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Fe (OH) 2 , FeSO 4 e Fe 2 (SO 4 ) 3, para nomear alguns).

    O poliacrilato de sódio [-CH 2 CH (CO 2 Na) -] n membrana separadora permite que os iões positivos (sódio e potássio) para passar através de manter uma carga eléctrica neutra. Todos os componentes são montados em uma bolsa plástica (“bolsa de comprimidos”) que pode ser vedada por facilidade de construção e segurança. Esta bolsa permite fácil conexão a outras células, seja em série ou em paralelo.

    2.1 Química do sal sulfato de ferro

    Encontramos uma solução de ferro e sulfato como uma química salina estável e confiável para a bateria totalmente de ferro. O cloreto de ferro foi misturado com uma solução saturada de sulfato de potássio e depois o pH foi ajustado. Isso gerou um precipitado. O cloreto de ferro (II) foi usado para produzir o eletrólito do ânodo. O cloreto de ferro (III) foi usado como eletrólito catódico. Embora o ferro (IV) possa ser produzido em princípio, as preocupações de segurança associadas a materiais de alto estado de oxidação impediram seu uso [11]. Outras soluções de sais de ferro também foram testadas, incluindo soluções contendo sacarose, frutose, EDTA e ferricianeto. Em solução, essas alternativas se comportaram de maneira semelhante, mas um precursor de sulfato apresentou a melhor capacidade coulombica disponível. A suspensão de sulfato também produz a menor perda de ferro do ferro metálico após descargas e cargas repetidas. Isso indica uma química altamente reversível (discutida abaixo em Validação e Caracterização).

    O ânodo de ferro é oxidado na reação, liberando elétrons no lado negativo da célula. Outras células usaram anodos de ferro, incluindo a clássica célula Edison (com um cátodo de níquel) e uma bateria de ferro descartável mais recente para ambientes com poucos recursos [7] . Em nossa célula, os elétrons são absorvidos por um eletrólito catódico de ferro (III) no lado positivo da célula. No estado totalmente descarregado, ferro (II) está presente por toda parte. Descobrimos que o ferro abundante (II) no eletrólito anódico ajudou a prevenir a perda irreversível do ferro e permitiu maior reversibilidade. Este design é robusto para vazamento e mistura. Se o eletrólito do ânodo e o eletrólito do cátodo se misturarem, a bateria estará descarregada, mas não danificada por contaminação.

    2.2 Membrana de poliacrilato de sódio

    Todas as células galvânicas devem separar suas duas meias reações. A finalidade de uma membrana separadora é manter o equilíbrio de carga passando íons, evitando a condutividade eletrônica que descarrega a célula. Em outros tipos de células, o separador também serve para manter o eletrólito anódico e o eletrólito catódico contra contaminação cruzada. Uma boa membrana não permite a passagem de grandes moléculas (como o sal sulfato de ferro encontrado em nossa bateria totalmente de ferro). A bateria totalmente de ferro possui química consistente e, portanto, a contaminação cruzada não degrada permanentemente a célula. No entanto, a difusão das espécies de ferro através da membrana libera a célula e deve ser minimizada.

    A membrana com melhor relação custo-benefício foi a membrana de poliacrilato de sódio. Possui poliacrilato, que é encontrado em fraldas como um super absorvente de água. O poliacrilato de sódio absorve muitas vezes o seu peso em água. Para fazer uma membrana viável a partir de poliacrilato de sódio, secamos em um pedaço de papel de cromatografia de celulose dobrado. Testamos vários materiais de membrana, incluindo ágar, Nafion, ácido poliacrílico, policarbonato nanoporoso e outros. A maioria tinha um desempenho muito baixo ou um custo de desempenho muito alto. O Nafion de grau comercial teve o melhor desempenho, mas foi proibitivamente caro. No entanto, existem outras membranas comercialmente disponíveis como opções, além das membranas que testamos (ver Fig. 4). A Fumatech produz membranas de troca iônica que podem ser adequadas (por exemplo, membrana de éter-cetona sulfonada E360). A síntese de outras membranas pode ser encontrada na literatura [12] , [13] . Embora essas membranas possam apresentar vantagens, sua síntese é desafiadora e apresenta riscos significativos à segurança.

    Todos os testes de membrana foram feitos em uma célula de concentração. A premissa do teste era montar a membrana para separar os dois lados de uma câmara de acrílico. O eletrólito anódico e o eletrólito catódico foram colocados em ambos os lados da membrana, e o potencial foi medido até que ambos os lados tivessem se equilibrado completamente através da membrana. A célula de concentração consistia em vários pedaços de plástico acrílico transparente selados juntos. Esse método de teste permitia uma menor variação entre os testes, já que o gabinete não mudaria, e a mesma quantidade de eletrólito anódico e eletrólito catódico poderia ser adicionada. Além disso, essa célula de concentração era fácil de limpar e era inerte à química da bateria de ferro. Planos para a construção da célula de teste de membrana são fornecidos (ver Otimização de Membrana, abaixo).

    2.3 Eletrodo de feltro de carbono

    O objetivo do eletrodo em qualquer bateria é atuar como a interface entre a reação e a carga. O eletrodo de carbono-feltro atua como uma interface de alta área de superfície entre o eletrólito catódico e o coletor de corrente de grafite. O eletrólito catódico é capaz de permear os espaços vazios no feltro de carbono, o que reduz o comprimento do caminho pelo qual os elétrons devem viajar no eletrólito do cátodo. O feltro é feito de carbono na forma de grafite, que é um bom condutor e resiste à corrosão. A resistência à corrosão aumenta a longevidade da bateria. Outros eletrodos baseados em carbono estão disponíveis (por exemplo, bastões, pó), mas a célula do tipo bolsa é mais adequada para uma folha de material. Apenas as folhas planas de grafite tinham uma área superficial baixa que limitava as taxas de reação; carbono sentiu melhor desempenho.

    2.4 Coletor de corrente de folha de grafite

    O coletor de corrente serve como “fios” para a bateria. O melhor coletor de corrente para a bateria totalmente de ferro era uma folha de grafite fina e flexível. Tem baixa resistência e é simples de conectar entre as células em série. Além disso, a grafite é menos propensa a corroer do que os fios de metal. Mesmo fios de cromo-níquel resistentes à corrosão corroeram após o uso prolongado na bateria totalmente de ferro.

    2.5 Aplicações possíveis

    As baterias de ferro serão úteis em aplicações estacionárias. Para projetos em que um ambiente é muito sensível ou onde os riscos de incêndio são proibidos, a bateria de ferro pode ser uma boa combinação. Vislumbramos projetos como turbinas eólicas de código aberto (por exemplo, o Zoetrope [14] ) e controladores de carga de código aberto (por exemplo, Libre Solar [15] , [16]) pode ser integrado com uma bateria de código aberto. Isso poderia reduzir as barreiras à entrada de modelos de negócios inovadores em energia renovável e armazenamento de energia. A bateria totalmente de ferro pode substituir as baterias de lítio, onde o custo e o risco de incêndio são mais importantes do que a energia específica. A química do lítio possui alta densidade específica de energia e potência. É perfeito para aplicações móveis exigentes em termos de energia, onde alta potência e baixo peso são necessários. Em aplicações onde o peso é menos importante, a química mais barata e segura pode ser preferida.

    Uma bateria de ferro de fonte aberta também pode ser aplicada em pesquisa e educação científica. Em locais ambientalmente sensíveis ou sensíveis ao fogo, essa química pode ser mais apropriada do que o lítio para alimentar registradores de dados ou câmeras remotas. Construir uma bateria de ferro de fonte aberta também é uma oportunidade para os alunos aprenderem sobre química e armazenamento de energia. Este sistema é acessível a um químico de nível de graduação (ao contrário das baterias de lítio que requerem equipamentos e instalações especializadas). Ainda é consideravelmente mais prático do que as típicas baterias “de célula de batata” que são usadas às vezes em salas de aula, que não são recarregáveis ​​e tendem a estragar ou secar rapidamente.

    Arquivos de projeto

    3.1 Lista de materiais

    O seguinte é para uma bateria de 3 V, consistindo de 6 células.

    Designador Componente Número Custo por unidade de moeda Custo Total – Moeda Fonte de materiais Tipo de material
    FeSalt1 Cloreto ferroso (FeCl 2 ) 17,4 g US $ 0,425 / g 
    US $ 0,0031 / g
    US $ 3,25 / g
    US $ 42,50
    US $ 0,31 * 
    US $ 81,20 *
    1. Amazon
    2. Alibaba 
    3. Sigma Aldrich (372870-25G)
    Inorgânico / Metal
    FeSalt2 Cloreto férrico (FeCl 3 ) 19,2 g US $ 0,097 / g 
    US $ 0,0005 / g
    US $ 0,405 / g
    US $ 10,99
    US $ 0,50 * 
    US $ 40,50 *
    1. Amazon 
    2. Alibaba 
    3. Sigma Aldrich (157740-100G)
    Inorgânico / Metal
    Sal Sulfato de Potássio (K 2SO 4 ) 20,9 g US $ 0,11 / g 
    US $ 0,02 / g 
    US $ 0,01 / g 
    US $ 0,22 / g
    US $ 12,67
    US $ 8,99 * 
    US $ 10,00 * 
    US $ 55,00 *
    1. Amazônia 1
    2. Amazônia 2 
    2. Alibaba
    3. Sigma Aldrich (P0772-250G)
    Inorgânico
    Base Hidróxido de sódio (NaOH) 15,0 g US $ 0,062 / g 
    US $ 0,0007 / g
    US $ 1,58 / g
    US $ 6,99 
    US $ 0,73 * 
    US $ 39,50
    1. Amazon 
    2. Alibaba 
    3. Sigma Aldrich(221465-25G)
    Inorgânico
    Ácido ** Ácido Clorídrico (HCl) <5 mL US $ 0,09 / mL 
    US $ 0,30 / g 
    US $ 0,14 / mL
    $ 44.95 
    $ 300.00 * 
    $ 68.00 *
    1. Amazon
    2. Alibaba 
    3. Sigma Aldrich (320331 – 500 mL)
    Inorgânico
    Poli Poliacrilato de sódio (C3 H 3 NaO 2 ) n 0,3 g US $ 0,12 / g 
    US $ 0,0035 / g
    US $ 0,45 / g
    US $ 6,00 
    US $ 3,50 * 
    US $ 44,50 *
    1. Amazon 
    2. Alibaba 
    3. Sigma Aldrich (447013-100G)
    Polímero
    FeMetal Lã de Aço (Fe) 6,7 g US $ 0,064 / g 
    US $ 0,45 / rolo
    US $ 6,10 
    US $ 0,45 *
    1. Amazônia 
    2. Alibaba
    Metal
    Pch1 Malotes do comprimido 6 × US $ 0,11 / peça US $ 5,47 * 1. Amazon Composto
    Pch2 Papel de Cromatografia (10×10) cm 2 6 × US $ 0,00177 / cm 2 US $ 23,55 * 1. Amazon Biomaterial
    Pch3 ** Folha de polietileno (5 × 4) cm 2 6 × US $ 0,03 / cm2 US $ 24,48 1. Amazon Composto
    Pch4 Folha de Plástico Transparente (5 × 4) cm 2 6 × US $ 0,012 / cm2 US $ 10,58 1. Amazon Composto
    Ele1 Feltro de grafite (5 × 4) cm 2 6 × US $ 0,03 / cm2 US $ 11,99 * 1. Alibaba Nanomaterial
    Ele2 Folha de grafite (25 × 25) cm 2 1 × $ 0,019 / cm 2
    $ 10 / piece 
    $ 0,108 / m 2
    US $ 17,50
    US $ 100,00 * 
    US $ 47,79 *
    1. Amazon 
    2. Alibaba 
    3. Outro
    Nanomaterial
    Totais (Menor): 
    Totais (Maior): 
    Totais (Recomendado):
    $ 7,48 / 6 células 
    $ 115,1 / 6 células 
    $ 35,63 / 6 células
    US 
    $ 83,57 US $ 742,87 US 
    $ 223,77

    * Não inclui custos de envio e manuseio. Para a Sigma Aldrich, o custo de frete é de US $ 45 por pedido completo.

    ** Recomendado, mas não necessário.

    Construa instruções

    Instruções curtas de construção são apresentadas aqui. É altamente recomendável usar as instruções completas de compilação no material suplementar para maiores detalhes e evitar erros na preparação.

    4.1 Soluções químicas

    Há cinco soluções que devem ser preparadas: sulfato de potássio 1 M, ou sal de potássio, (K 2 SO 4 ), hidróxido de sódio 10 M, ou soda cáustica, (NaOH), ácido clorídrico 10 M (HCl), eletrólito catódico e eletrólito anódico. As três primeiras soluções listadas acima são necessárias para fazer o eletrodo anódico e o eletrólito catódico. Isto significa que é melhor fazer 1 MK 2 SO 4 primeiro, depois 10 M NaOH e 10 M HCl, e depois o eletrólito anódico e o eletrólito catódico. Ler as instruções suplementares de compilação é altamente recomendável.

    4.1.1 Eletrólito ânodo

    O eletrólito anódico é a solução diretamente em contato com o eletrodo ânodo (metal de ferro). Aproximadamente 60 mL são necessários para a bateria de seis células. Solução de electrólito do ânodo é constituído por 2 M de ferro (II), cloreto de (FeCl 2 ) (17,4 g em 60 mL de uma MK 2 SO 4 ) a pH 7,5. Para preparar o eletrólito do ânodo, meça 60 mL de uma solução de 1 MK 2 SO 4 . Dispensar FeCl 2 [FeSalt1] em pó para o béquer com solução de 1 MK 2 SO 4 em grânulos, evitando aglomeração do FeCl 2 (cloreto de ferro (II), FeCl 2 ) [FeSalt1].Cuidado: Cuidado ao manusear deve ser exercitado. Luvas são necessárias, assim como óculos de segurança ou óculos de proteção, e uma bata de laboratório ou outra forma de equipamento de proteção individual (EPI) de corpo inteiro. Uma solução de 10 M NaOH [Base], (24,0 g em 60 mL de água) é usada para ajustar a pH 7,5 adicionando pequenas quantidades, em torno de 0,5 mL de cada vez. As medições de pH devem ser feitas após cada adição de NaOH. Aproximadamente 12 mL de NaOH são necessários.

    4.1.2 Eletrólito catódico

    O eletrólito catódico é a solução diretamente em contato com o eletrodo catodo (feltro de grafite). A preparação da solução de eletrólito catódico é semelhante à preparação da solução de eletrólito anódico. Esta solução consiste em H de ferro (III), cloreto de 2 (FeCl 3 ) [FeSalt2] (19,2 g em 60 mL de uma MK 2 SO 4 ) a pH 7,5. A preparação da solução de eletrólito catódico procede de maneira idêntica à solução de eletrólito anódico. Vale a pena notar que o pó de FeCl 3 [FeSalt2] é mais difícil de manipular que o FeCl 2 [FeSalt1] porque o pó adere a si mesmo. Uma pequena espátula pode ser usada para dispensar o FeCl 3 [FeSalt2] na solução.Cuidado: Cuidado ao manusear deve ser exercitado. Luvas são absolutamente necessárias, assim como óculos de proteção fechados e uma bata de laboratório ou outra forma de EPI de corpo inteiro.O cloreto de ferro (III) (cloreto férrico) é altamente corrosivo. Quando se ajusta ao pH 7,5, a solução torna-se muito viscosa, a ponto de ser difícil de mexer. Recomenda-se a agitação manual com uma vareta de vidro, juntamente com uma barra de agitação magnética. Aproximadamente 45 mL de NaOH são necessários para ajustar a pH 7,5.

    4.2 Preparação de células de bateria

    Uma vez que as soluções de eletrólito anódico e eletrólito catódico são feitas, a célula pode ser preparada. Isso inclui a membrana, anodo de lã de aço [FeMetal], catodo de feltro de grafite [Ele1] e os eletrodos de grafite [Ele2]. No total, isso criará as partes para montar a célula. Veja a Fig. 2 A – H para referência visual.

    Fig. 2 . Uma referência visual para a montagem da bolsa e bateria.

    4.2.1 Preparação de Membrana

    A membrana consiste de um pedaço dobrado de papel de cromatografia de celulose [Pch2], aproximadamente 10 cm × 10 cm. Deve ser manuseado em superfícies limpas e com luvas, para evitar a contaminação da superfície. O papel é dobrado em um envelope para encaixar na bolsa de plástico [Pch1], veja a Fig. 2B. A solução de poliacrilato de sódio é preparada para uma concentração de 150 mg em 1,5 L de solução (100 partes por milhão, ppm). Isso é suficiente para uma bateria de seis células. Um espaçador de polietileno [Pch3] foi colocado dentro da bolsa do papel de celulose dobrado. Isso impede que os dois lados grudem quando molhados. Em seguida, metade da solução de 100 ppm de poliacrilato de sódio é despejada sobre os pedaços dobrados de papel de celulose, molhando-os completamente. A água deve ser evaporada, deixando para trás o poliacrilato de sódio disperso pelas fibras do papel. Isto pode ser conseguido secando ao ar por 2 a 3 dias ou secando por 6 h em uma estufa aquecida a 80 ° C. O papel deve ser suavemente virado enquanto estiver úmido. Qualquer solução restante deve ser adicionada ao papel. Qualquer bolsa rasgada deve ser descartada.

    4.2.2 Preparação de lã de aço

    A lã de aço [FeMetal] é usada para o ânodo da célula. Para uma bateria de seis células, 6,7 g de lã de aço [FeMetal] são necessários, o que constitui aproximadamente 1,11 g por célula. Lã de aço fina pode ser usada sem mais preparação.

    4.2.3 Grafite sentiu preparação

    Grafite sentiu [ELE 1] é usado como o cátodo da célula. O feltro fino (5 mm de espessura) funciona melhor. Seis pedaços do feltro de grafite [ELE 1] devem ser cortados em dimensões: 5 cm de largura, 4 cm de altura. Cuidado: O feltro de grafite pode deixar micro lascas se tocado com as mãos desprotegidas, o que pode causar desconforto.Luvas são altamente recomendadas.

    4.2.4 Preparação da folha de grafite

    A folha de grafite [ELE 2] atua como o atual coletor para o ânodo e o cátodo. A folha de grafite [ELE 2] pode ser comprada como uma folha de 25 cm × 25 cm ou como um rolo de papel alumínio. Deve ser cortado com uma faca ou tesoura afiada. Corte doze tiras com dimensões de 6,25 cm × 5 cm e quatro tiras de dimensões 12,5 cm × 5 cm. É necessário cortar tiras extras, pois a folha é delicada e as tiras rasgadas devem ser descartadas.

    4.3 Montagem a seco de bateria

    Usando todos os materiais que foram preparados, a parte seca da célula pode ser montada (excluindo o eletrólito anódico e o eletrólito catódico). Use a Fig. 2para referência. Deslize o envelope da membrana para dentro da bolsa da pílula [PCH 1]. Em seguida, oriente o envelope da membrana corretamente. O lado do envelope de membrana com abas dobradas é o lado “não trabalhado”. O lado oposto do envelope da membrana com o lado liso é o lado “trabalhando”. Em seguida, um pedaço de lã de aço com massa 1,11 g (ou um pouco maior) e a folha de grafite pré-cortada é inserida no envelope da membrana. Em seguida, a grafite pre-cut sentiu, e a folha de grafite também foi inserida na bolsa, tocando o lado de trabalho do envelope da membrana. Esta é a parte seca e acabada da célula. O procedimento deve ser repetido mais cinco vezes. Duas células “finais” (a primeira e a última na matriz) devem ser construídas com uma tira mais longa de grafite. Em uma extremidade da matriz, uma folha longa é usada para o cátodo. No final do array, uma tira longa de grafite é usada para o ânodo. Tiras mais longas podem ser reforçadas com uma folha de plástico para evitar rasgar a folha.

    4.4 Adicione eletrólito para completar a bateria de células

    Eletrólito anódico e eletrólito catódico são adicionados às células secas montadas com seringas. Cada célula deve ser preenchida com mL8 mL de eletrólito anódico e ∼8 mL de eletrólito catódico. É melhor manter o mesmo volume entre os dois lados. A célula deve ser aberta, comprimindo as bordas. Cuidado: O contato com o eletrólito anódico e o eletrólito catódico é possível aqui. Luvas são recomendadas, assim como óculos de segurança ou óculos de proteção.Uma inicial 5 mL de ânodo eletrólito é aspirado e lentamente injetado ao lado do ânodo da célula usando uma seringa de 5 mL. O segundo volume de mL3 mL é então adicionado. O objetivo é garantir que toda a lã de aço esteja saturada em eletrólito anódico e que esteja em contato direto com a membrana. Em seguida, uma seringa nova é usada para adicionar o eletrólito catódico ao lado catódico (feltro de carbono) da célula de maneira semelhante. Uma vez que o eletrólito anódico e o eletrólito catódico são injetados, a célula é terminada, e deve-se tomar cuidado para não permitir que os eletrodos da folha de grafite toquem, pois isso reduzirá a bateria e diminuirá o desempenho. As outras 5 células são preparadas do mesmo modo.

    4.5 Montar bateria

    Quando as células estiverem completas, a bateria pode ser montada e conectada. O objetivo é uma bateria de 3 V, feita de seis células. Os potenciais de célula aberta de cada célula devem ser medidos com um multímetro digital. Os potenciais das células devem estabilizar após cerca de 10 a 15 min. Quaisquer células abaixo de 300 mV devem ser consideradas defeituosas e devem ser descartadas. Cuidado: O contato com o eletrólito anódico e o eletrólito catódico é possível aqui. Luvas e óculos de segurança são recomendados.Após o teste da célula, obtenha um invólucro de plástico para a bateria. As células devem sempre ficar de pé dentro do recinto. Uma vez que todas as células estivessem dentro do invólucro, organize as células de forma que as folhas de grafite extra longas fiquem nas extremidades do conjunto de células. Todas as células são eletricamente conectadas em série, de cátodo a ânodo, com pequenos grampos de encadernação. Uma toalha de papel úmida deve ser colocada longe dos eletrodos de folha de grafite, mas ainda dentro do gabinete. A toalha de papel deve ser verificada e periodicamente molhada com água para ajudar a retardar a evaporação.

    4.6 Bolsas de vedação para uso a longo prazo

    A cola quente também pode ser usada para selar as bolsas e evitar a evaporação. Uma folha de plástico transparente é colocada entre os eletrodos de grafite para evitar que os eletrodos se toquem. Dois palitos de dente são colados ao mecanismo de fechamento da bolsa para manter a bolsa plana na posição vertical. A bolsa pode conter um pequeno espaço de ar. Então, o exterior da bolsa é colado com uma fina gota de cola quente. Os dois eletrodos e a folha plástica transparente são deixados do lado de fora.

    Instruções de operação

    5.1 Dicas de operação e preocupações de segurança

    Uma vez que a bateria esteja completamente construída, é seguro tocar o gabinete e os eletrodos de grafite sem luvas, óculos de segurança ou óculos de proteção. Deve-se ter cuidado para garantir que as células e a bateria permaneçam na posição vertical. Caso contrário, as células podem vazar ou misturar o eletrólito anódico e o eletrólito catódico. Se a bateria estiver muito inclinada ou cair, é provável que ela não funcionará mais como desejado e pode ter um desempenho muito menor. No entanto, esse problema pode ser resolvido recarregando a célula. Se algo precisar ser modificado dentro da bateria, luvas e óculos são necessários. Espera-se que os extremos de temperatura tenham um efeito prejudicial na bateria. Ao manusear e conectar os fios aos eletrodos de folhas de grafite, muito cuidado deve ser tomado para não rasgar as tiras.

    5.2 Instruções operacionais

    As baterias geralmente são operadas em um circuito e a operação dependerá da aplicação. Com exceção de sua geometria única, a bateria funciona como qualquer bateria comercial. O eletrodo anódico deve ser conectado no terminal negativo ou terra e o cátodo deve estar conectado no terminal positivo ou quente. Descobriu-se que a melhor maneira de conectar os terminais era com clipes jacaré, pois eles seguravam bem as folhas de grafite, mas não os destruíam. Fita autoadesiva de cobre pode ser aplicada para reforçar o grafite antes da conexão com clipes.

    5.3 Instruções de carregamento

    Uma célula é construída totalmente carregada de acordo com as instruções acima. Após o uso, ele tem a capacidade de ser carregado por dois métodos, que requerem uma fonte de corrente contínua. Em nossos experimentos, usamos uma fonte de alimentação CC regulada em laboratório de bancada (TP3005T Tekpower, Montclair, CA), ou um potenciostato WaveNow (Pine Research Instrumentation, Durham, NC). Para carregar a bateria de seis células usando nossa fonte de alimentação DC regulada, os cabos foram conectados à bateria, com positivo para o catodo e negativo para o ânodo. A tensão foi ajustada para 3,0 V e foi então “bloqueada”. A corrente foi então ajustada para 3 mA no máximo, e a bateria foi carregada até a corrente ler ∼1 mA na fonte de alimentação. Uma única célula não deve ser carregada com uma tensão aplicada mais alta do que 1,2 V (7,2 V para as 6 células em série). Em voltagens mais altas, a produção de hidrogênio e oxigênio pela eletrólise da água pode ser significativa e apresentar risco de explosão. Um potenciostato WaveNow também foi usado para carregar o dispositivo. Os eletrodos do potenciostato foram conectados e a bateria foi carregada usando um experimento de potenciometria de corrente constante no software WaveNow. Nós carregamos em 1 mA até que o potencial da bateria atingisse 3,00 V.

    Validação e caracterização

    As partes básicas da bateria totalmente de ferro estão descritas na Fig. 1 A e, para cada um desses componentes, há muitas opções. Analisamos o efeito de modificar cada componente no desempenho desta célula eletroquímica. Escolhemos o pH 7,5 com base nas perdas de desempenho em pH mais alto e mais baixo; a célula não é tolerante a uma mudança de pH de 0,5 unidades de pH ou maiores. O separador foi otimizado para um equilíbrio entre custo e desempenho. A escolha de eletrodos de carbono também foi explorada. Embora muitas combinações de componentes da bateria totalmente de ferro possam funcionar, algumas combinações oferecem maiores vantagens.

    6.1 Escolha de sulfato de ferro

    O sal sulfato de ferro foi um dos cinco sais de ferro que foram testados. O arranjo experimental foi idêntico para cada um dos cinco sais, sendo a única variável o próprio sal. A montagem foi simples, pois consistia de uma célula galvânica muito básica, com cada metade da câmara de reação sendo um béquer separado. Como membrana, utilizou-se uma ponte de sal poliacrilamida, 0,1 M de cloreto de sódio (NaCl). A poliacrilamida ajudou a sustentar o sal no lugar e ainda permitiu o equilíbrio da carga. Ao contrário da bolsa, as células do béquer não usavam papel de grafite como um coletor de corrente, mas sim um fio de cromo anti-oxidante. A fonte de ferro-metal era de 99,9% de arame de ferro, enrolada para se ajustar ao béquer. Como a bolsa, o feltro de carbono era usado como catodo. Todos os 5 sais foram testados a pH 8 e em béqueres de aproximadamente 10 mL.

    Havia 4 métricas pelas quais os sais de ferro eram avaliados. 1. capacidade de descarga coulombic geral. Este teste foi feito definindo uma descarga de corrente constante a 1 mA até que o potencial da célula se tornasse inferior a 10 mV. 2. Estabilidade e repetibilidade em 12 ciclos de carga e descarga. Isto foi realizado colocando a célula a descarregar durante 1 h a 1 mA e depois carregando durante 1 h a 1 mA. 3. O potencial da célula aberta na montagem da célula. 4. O percentual de ferro perdido para a solução. À medida que a bateria passa por descargas e cargas, é possível que algum ferro não seja reduzido de volta à superfície do fio causado pelo carregamento.

    O sal de sulfato de ferro produziu o melhor desempenho dos 5 sais testados. A Fig. 3mostra que o potencial de células abertas foi o melhor, juntamente com a maioria dos coulombs que foram descarregados até a falha. Embora todas as configurações de sal de ferro contenham a mesma quantidade de ferro que pode ser usada para descarregar a bateria, o sal sulfato de ferro claramente torna mais ferro acessível do que qualquer outro sal. A perda de anodo de ferro como percentual foi determinada como negativa, o que indica que o precipitado permitiu mais facilmente a reação inversa durante os ciclos de carga.

    Fig. 3 . Esquema e imagem da montagem experimental de células galvânicas. Uma tabela delineando a seleção da química do sal de ferro. 3 gráficos adicionais para referência na escolha do pH.

    Dada a possibilidade de que o sulfato de ferro precipitado seja o material de eletrodo ideal, também testamos o sulfato de ferro diretamente. Dissolvemos 1 M sulfato de ferro (II) em sulfato de sódio 1 M (para o eletrólito anódico) e 1 M de sulfato de ferro (III) em sulfato de sódio 1 M (para o eletrólito catódico). A célula de sulfato de ferro produzida desta maneira não era recarregável (perda de capacidade de 80% após um ciclo). O sulfato de ferro dissolvido é altamente ácido (pH <2) e apresenta riscos semelhantes ao cloreto de ferro. O produto precipitado específico da neutralização do cloreto de ferro na presença de sulfato é importante para o desempenho da célula.

    6.2 Escolha de pH

    Inicialmente, os cinco sais foram testados em pH 8. O pH variou de 7,5 a 8,5. Isso foi feito fazendo a mesma solução para as 3 tentativas, mas alterando a quantidade de base adicionada durante a etapa de ajuste do pH na fabricação do eletrólito anódico e do eletrólito catódico. Nenhum pH abaixo de 7 foi testado porque a geração de hidrogênio se torna significativa e não é desejada (devido a considerações de segurança e desempenho). Como na figura 3mostra, o pH 7,5 tinha um cronopotenciograma cíclico estável com aproximadamente o mesmo potencial sendo atingido a cada vez nos ciclos de descarga e de carga. A célula era instável a pH 8, mas ainda funcional. No entanto, embora o pH 8,5 pareça estável com voltagens similares nos ciclos de carga e descarga, verificou-se que os condutores estavam corroídos. Além disso, há outra vantagem para o pH 7,5. As suspensões eram ainda mais viscosas a pH 8 e pH 8,5 do que pH 7,5, tornando-as mais difíceis de preparar. Descobrimos também que a concentração de ferro de 2 M aumenta a viscosidade do eletrólito anódico e do eletrólito catódico. Em pH mais alto, é provável que uma solução mais concentrada, como 3 M, seja muito difícil ou impossível de fazer.

    6.3 Otimização da membrana

    Testamos muitas membranas diferentes: 1. Nafion em papel; 2. uma membrana pura de Nafion; 3. policarbonato nano-poroso; 4. agarose em papel; 5. agarose em uma malha de plástico; 6. ácido poliacrílico-co-poliacrilamida em papel; 7. poliacrilato de sódio em papel; 8. papel (apenas). O papel utilizado foi o papel de cromatografia em celulose Whatman, conforme encontrado na Bill of Materials. Todos os testes de membrana podem ser comparados a um controle somente em papel, que destaca o efeito de materiais de íons seletivos, como Nafion ou poliacrilato. Materiais iônicos seletivos são polímeros decorados com ânions imobilizados. Eles resistem a conduzir ânions e são mais condutores aos cátions. O papel puro tratado com Nafion e poliacrilato apresenta potenciais celulares iniciais significativamente mais altos e auto-descarga mais lenta que o papel isolado. Analisamos a relação custo / desempenho para cada membrana testada. Muitos eram inadequados porque seu desempenho era inaceitável (por exemplo, gel de ágar no papel) enquanto outros eram muito caros (por exemplo, membrana pura de Nafion). O melhor equilíbrio entre baixo custo e desempenho aceitável foi o poliacrilato de sódio no papel. O material da membrana de poliacrilato de sódio foi relativamente fácil de criar e formar em uma bolsa. Mostrou uma auto-descarga em uma célula de concentração com meia voltagem de 6 h, com uma voltagem máxima de 110 mV, como visto emFig. 4 D.

    Fig. 4 . Teste de auto-descarga de membrana. (A) Um esquema mostra a construção da célula de concentração. (B) As fotografias digitais mostram a célula de concentração construída. (C) Um gráfico mostra o gráfico de autodescarga da tensão medida ao longo do tempo. (D) Uma tabela de resumo do potencial máximo e métrica de descarga (tempo até metade do potencial máximo).

    Para medir o desempenho da auto-descarga, projetamos e construímos uma célula de concentração. Uma célula de concentração produz uma pequena voltagem com base na diferença de concentração em compartimentos idênticos. É dividido em duas câmaras e cada uma delas conterá um dos eletrólitos. Os planos para a célula estão disponíveis on-line (consulte Repositório de arquivos de origem). Neste caso, ambos os compartimentos contêm sulfato de ferro, mas em estados de oxidação médios muito diferentes. Uma meia célula foi preparada a partir de Fe 2+ e a outra de Fe 3+. A membrana é mantida entre os compartimentos. Com o tempo, a transferência de elétrons e íons através da membrana permite que a concentração de ferro nos diferentes estados de oxidação se equilibre. Este processo resulta em um lento decaimento da tensão medida. Os resultados são mostrados na Fig. 4 C. Nossa célula de concentração ( Fig. 4 A e B) foi projetada no software do nosso cortador a laser. Também foi cortado usando o mesmo cortador a laser. As camadas, com exceção da camada de Viton, foram coladas usando um selante de silicone transparente. Viton não deve ser cortado com um cortador a laser devido à produção de gases tóxicos e corrosivos. Viton pode ser cortado com uma tesoura ou uma faca afiada. Os parafusos da máquina mantinham tudo no lugar durante o teste.

    6.4 Caso de uso relevante

    O design final da célula é resultado da estratégia de otimização acima. Apresentamos uma aplicação muito simples para ilustrar uma versão funcional da bateria. Seis células foram combinadas em série para fazer uma bateria para alimentar um geodo emissor de luz (LED). O desempenho da bateria de 3 V foi testado usando um registrador de dados da Vernier para registrar a corrente e a tensão ao longo do tempo. O LED foi alimentado por aproximadamente 350 horas contínuas. Uma vez que o potencial era muito baixo para o LED, uma carga resistiva simples foi aplicada para medir a capacidade restante. A Fig. 5 C mostra a descarga de 600 mAh ao longo de duas semanas.

    Fig. 5 . As cargas e descargas de células de ferro e uma bateria de células podem ser conectadas em série. (A) O potencial ao longo do tempo mostra estabilidade aos ciclos repetidos de carga e descarga. (B) Carga (em coulombs) durante o mesmo teste de ciclo repetido. (C) A fotografia mostra um LED verde alimentado por uma bateria de seis células em série. (D) O gráfico do potencial ao longo do tempo durante a descarga através do LED. (E) Gráfico de corrente ao longo do tempo durante a descarga através do LED. (Para interpretação das referências a cor nesta legenda da figura, o leitor é encaminhado para a versão web deste artigo.)

    Em um experimento diferente, a confiabilidade de uma única célula foi testada pela realização de um teste de descarga e carga cíclica. Cada ciclo completo, uma descarga seguida de uma carga, foi feito a 1 mA e a voltagem foi registrada, como visto na Fig. 5 A. Na Fig. 5 B, a carga total da célula pode ser vista. No final do oitavo ciclo, há uma mudança na estabilidade da bateria, mas ainda é funcional. Isto pode ser devido à idade da célula e sua exposição direta ao ar. Esta iteração não foi selada.

    6.5 Capacidades e limitações

    Nossa bateria de ferro possui recursos suficientes para uso prático em dispositivos e projetos de baixa potência. A resistência interna da célula é alta e, portanto, a taxa de descarga é limitada. Existem várias fontes possíveis desta alta resistência: pobre condutividade iônica da membrana, taxas de transferência de carga pobres do eletrodo de carbono para o Fe 3+no cátodo, devido à baixa condutividade elétrica do eletrólito, ou ao mau contato elétrico entre os componentes. Em trabalhos futuros, isso poderia ser resolvido comparando os efeitos de melhores membranas, aditivos condutores às suspensões de eletrólitos (por exemplo, negro de fumo) ou adicionando compressão para ajudar a trazer os componentes para um melhor contato. A célula da bolsa, conforme descrito, pode fornecer m1 mA de corrente. Na tensão operacional típica de ± 0,5 v, cada célula pode fornecer ± 0,5 mW. A célula é robusta a pelo menos dez ciclos de carga e descarga sem perda perceptível de capacidade. Uma matriz de 6 células é, portanto, suficiente para eletrônica de baixa corrente para aplicações de sensoriamento (como microcontroladores de baixa potência como Texas Instruments MSP430).

    A célula se degradará se a água for perdida por evaporação ou eletrólise. Em pH 7,5, o overpotencial de redução de hidrogênio é de aproximadamente –0,4 V. O potencial de ativação da superfície de ferro é de –0,15 V. Se o potencial aplicado ao eletrodo de ferro durante a carga for mais forte que –0,55 v, o gás hidrogênio pode ser gerado a uma taxa significativa. Como o potencial total da célula é baixo, o carregamento pode ser realizado com uma tensão aplicada modesta, de modo que o potencial no eletrodo de ferro não atinja esse limite. As perdas de água devido à evaporação degradarão a bateria, assim como a lenta reação do ferro interno com o oxigênio atmosférico. Se a célula for selada com um termoplástico ou cola quente e colocada em um recipiente secundário, esses problemas serão minimizados. O oxigênio e a umidade podem se difundir lentamente pela bolsa. Minimizar o espaço aéreo em torno do saco limitará a degradação. Água pura também pode ser adicionada para compensar as perdas por evaporação através do plástico.

    Declaração de Interesse Concorrente

    Nenhum.

    Agradecimentos

    Reconhecemos com gratidão nossos generosos apoiadores do crowdfunding, Jim Kasper, Coeur Power, Thomas Golson, Prahasith Veluvolu, Dwight Irving, John Palin, Magnus Svantesson, Greg Thomson, Rod Farlee e Michael Clark. Também reconhecemos o generoso apoio da Avista Utilities. O conteúdo é de exclusiva responsabilidade dos autores e não representa necessariamente as opiniões de nossos apoiadores ou da Avista Utilities.

    Apêndice A Dados suplementares

    A seguir estão os dados suplementares para este artigo:

    Referências