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Batteria redox a flusso di vanadio-chimicamo

Batteria redox a flusso di vanadio

  |   Chimica, Chimica Generale, Elettrochimica

Una batteria redox a flusso è un sistema elettrochimico in cui l’energia è immagazzinata in due soluzioni contenenti coppie redox diverse.

La batteria è costituita da due serbatoi contenenti le soluzioni che, durante il funzionamento, sono pompate in un elettrolizzatore costituito da un certo numero di celle, connesse in serie o parallelo, dove hanno luogo le reazioni elettrochimiche su elettrodi inerti.

Le batterie a flusso sono costituite da due elementi essenziali:

  • le celle in cui l’energia chimica è convertita in energia elettrica
  • i serbatoi in cui l’energia è immagazzinata.

batteria a flusso

Nelle celle l’anodo e il catodo sono separati da membrane a scambio ionico che permettono la diffusione di ioni prevenendo allo stesso tempo il mescolamento diretto delle soluzioni anodiche e catodiche. Nell’ambito delle batterie redox a flusso quella al vanadio (VRB)  è tra le più sviluppate costituendo un sistema per accumulare energia con molte potenziali applicazioni.  Il vanadio ha configurazione elettronica [Ar] 3d3, 4s2 e pertanto può presentare più stati di ossidazione e, in particolare, i numeri di ossidazione più comuni sono +5, +4, +3, +2.

Sono riportati in tabella gli ioni più importanti che forma il vanadio unitamente al numero di ossidazione

Tabella

Numero di ossidazione

Ione

+5

VO3 (vanadato) , VO2+ (vanadile)

+4

VO2+

+3

V3+

+2

V2+

La facilità con cui i vari stati di ossidazione possono essere convertiti tra loro ha portato all’utilizzo del vanadio nell’ambito delle batterie a flusso.

Reazioni

Una batteria redox a flusso di vanadio è costituita da due serbatoi separati da una membrana a scambio ionico. Tali serbatoi contengono le specie attive del vanadio in diversi stati di ossidazione: VO2+ e VO2+ al catodo e V2+/ V3+ all’anodo con concentrazioni dell’ordine di 1.5-2 M in acido solforico 2-5 M. Durante il processo di scarica avvengono le seguenti semireazioni:

elettrodo positivo: VO2+ + H2O  → VO2+ +2 H+ + 1 e–    E° = – 0.99 V

elettrodo negativo : V3 + + 1 e–   → V2+   E° = – 0.26  V

Durante il processo di carica la reazione avviene in senso opposto e la reazione è:

VO2+ +2 H+ + V2+   → VO2+ + V3 + + H2O

 con un potenziale di 1.25 V.

Gli elettrodi sono in genere costituiti da feltri di carbone/grafite a elevata area superficiale che possono essere trattati in vario modo per catalizzare le reazioni elettrochimiche.

Le batterie redox a flusso di vanadio sono ad alta efficienza energetica, danno una risposta in tempi brevi e hanno un lungo ciclo di vita.

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