ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO DE ENERGÍA. Margarita Miranda Hernández

Transcripción

1 ALMACENAMIENTO ELECTROQUÍMICO DE ENERGÍA Margarita Miranda Hernández Coordinación de Superficies, Interfases y Materiales Compuestos Departamento de Materiales Solares

2 INTRODUCCIÓN SISTEMAS PARA APROVECHAR LA ENERGÍA PROCEDENTES DE FUENTES RENOVABLES: 1. Energía solar 2. Energía Eólica 3. Energía hidráulica 4. Energía proveniente de la biomasa 5. Energía procedentes del fenómeno de las mareas 6. Energía procedente del calor de la tierra (Energía Geotérmica) Necesidades d de almacenar la energía

3 Situación UNO: Vivienda aislada o comunidad sin posibilidad de conexión a la red eléctrica Situación DOS:

4 Almacenamiento de energía 1. Almacenamiento de energía hidroeléctrica

5 2. Almacenamiento de aire comprimido en grandes cuevas o minas

6 3. Almacenamiento directo de electricidad mediante imanes superconductores

7 4. Almacenamiento en acumuladores electroquímicos

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10 Acumulador de plomo

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12 LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN A. Electrodepósitos de metales a) Caracterización de los estados iniciales de crecimiento (Electrocristalización) b) Caracterización ió de la formación de monocapas y crecimiento i tridimensional i c) Métodos de electrodepósito utilizando diferentes técnicas electroquímicas B. Caracterización de Compositos de Carbón utilizados como almacenadores de Energía: a) Capacitores electroquímicos b) Adsorción electroquímica de Hidrógeno C. Aplicación de técnicas electroquímicas en la evaluación de proceso Electrocatalíticos a) )En materiales fotosensible (semiconductores) b) Hidruros metálicos c) Materiales electrocatalíticos de Pt-Ru soportados en carbón D. Estudios de la estabilidad d de diferentes materiales en sistemas y atmósferas agresivas (Corrosión) a) Foto-corrosión b) Estabilidad de polímeros conductores c) Evaluación de inhibidores de corrosión

13 Caracterización de Compositos de Carbón utilizados como almacenadores de Energía COMPROMISOS: PROBLEMÁTICA ENERGÉTICA -Agotamiento de las reservas de combustibles naturales -Efectos ambientales - Costos económicos ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS -Fuentes alternas de combustible -Fuentes alternas de Energía

14 RETOS -Síntesis sencilla y/o diseño de nuevos materiales -Diseño de dispositivos -Estudios de investigación Básica -Económicamente viables MATERIALES DE CARBONO

15 LOS MATERIALES DE CARBÓN : GRAFITO, DIAMENTE, FULERENOS EN DIVERSAS FORMAS Y PRESENTACIÓN COMERCIAL CARBÓN VÍTREO, NEGRO DE CARBÓN, CARBÓN PIROLÍTICO ALTAMENTE ORIENTADO, CARBÓN RETICULADO, FIBRAS DE CARBÓN, NEGRO DE HUMO {PASTAS, BARRAS, POLVOS }

16 MATERIALES DE CARBÓN NANOESTRUCTURADOS

17 Versatilidad: diferentes presentaciones CARACTERISTICAS DE MATERIALES DE CARBÓN Diferente Morfología Resistencia Química Conductor eléctrico Se pueden modificar desde su síntesis Diferentes precursores Familias de materiales de carbono: Tratamientos térmicos a) Carbón vítreos (compactos) b) Negros de carbón (impurezas carboxiladas) c) Carbones reticulados (porosidad) d) Fibras de carbón

18 CAPACITORES ELECTROQUÍMICOS Los capacitores electroquímicos son dispositivos de almacenamiento de energía que están diseñados para un rápido almacenamiento y descarga de cantidades grandes de carga Son llamados Capacitores de doble capa porque almacenan carga en la interface polarizada sólido/electrolito Este fenómeno se favorece por el área superficial, tamaño y distribución de poros en el material

19 Dieléctrico Separación de cargas Electrolito Material de electrodo Interacción Electrolito Electrodo Electrodo metálico metálico Capacitor de doble Clasificación capa Seudocapacitor Acumulación de carga Electrostática Electrodo metálico doble capa Medio electrolítico Interfase o

20 RuO 2. 2H 2 O electrodepósito Indexado de una particula de RuO2 [0 1-1] No Tarjeta Compuesto RuO2 Sistema Tetragonal 0.222nm 0.225nm 0.222nm (-1 1 1) (1 1 1) (-2 0 0) RuO 2 Formado químicamente FFT

21 5 nm 25 nm Marices de pasta de negro carbón nanoestructurado con diferente cantidad de óxido de rutenio 1MHClO 4 Ciclado hasta en 1.5 V por 3 horas, 1M HClO 4

22 ALMACENAMIENTO ELECTRQUÍMICO DE HIDRÓGENO Electroquímica del hidrógeno Reacción de reducción de Adsorción de H 2 Reacción de oxidación de Hidrogeno (HER) H Hidrogeno H 2 2 Procesos de hidrogenación en síntesis orgánicas Almacenamiento En celdas de combustible

23 1. ADSORCIÓN DE HIDRÓGENO EN MATERIALES DE CARBON Método Físico Método Electroquímico El gas se adsorbe en multicapas a temperaturas cercanas a su punto de ebullición, interacción - sólido/gas dominada por fuerzas de débiles ( Van der Waals) Adsorción en monocapas Se induce a través de una Reacción de reducción Además del área superficial Además del área superficial del material se requiere actividad electrocatalítica hacia las reacciones de interés

24 ELECTROLISIS DE AGUA H + = H 3 O + H 2 O OH - Para 1 y 3 Volmer-Tafel M + H H + + e + 2M H M H + e M H + M H ads ads ads 2M + H M H ads...(1) M + H abs 2 2 (2)...(3)...(4) Volmer-Heyrovsky (HER) M t t táli M = sustrato metálico matriz, conductor

25 FISISORCIÓN (fase gas): La ruta de adsorción depende de la naturaleza de la superficie metálica La temperatura a la cual el proceso se realiza ( 5 a 20 K ) No hay disociación H H 2 2 H 2 H-H SUPERFICIE METÁLICA O MATRIZ CONDUCTORA Permanece el enlace covalente M + H2 M H2(fisiad) o ad EM H (H2) H2 (fisiad) = Δ = 4-10 kj/mol

26 QUIMISORCIÓN interface = superficie metálica (conductora) solvente (conductor iónico) campo eléctrico H 2 H 2 DISOCIACIÓN H 2 H H ADSORCIÓN SUPERFICIE METÁLICA O MATRIZ CONDUCTORA * H 2 2H * 2H + 2M 2M H QUIM E M H QUIM = 1 2 D H 2 ΔH o ads (H QUIM ) Aprovechar el área superficial y porosidad del material de carbono D= 436 kj/mol ΔH = kj/mol

27 Compositos de Carbón (electrodos de pasta o películas) Matriz base : Negro de Carbón micro y nanoestructurado Material Activo : Partículas metálicas (Pd) Aglomerante: Nafión, Aceite Silicón Propiedades de los materiales de negro de carbón Tipo de Área Tamañode Azufre Litio material superficial / Partícula % ppm NSA (m 2 g -1 ) (nm) C-DX (I) Tratamiento térmico / ºC - C-DXT (II) C-ST < 1 - C-LITH

28 Pasta de carbono: negro de carbón nanoestructurado t (5 nm)/ aceite silicón Electrodepósito de paladio: 1x10-2 M PdCl 2 /1.5M NH 4 OH ph = 2.4 sobre una matriz de carbón en pasta

29 película de negro de carbón nanoestructurado Partículas de paladio formadas sobre películas de negro de carbón nanoestructurado

30 EVALUACIÓN DEL ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO /6 M KOH 0.30 Ox Ox E-05 m cm -2 j / ma c E ap = V E ap = V E ap = V E ap = V película I (A/cm 2 ) -9.0E E E-04 E λ = -0.8 E λ = -0.9 I c II c película l E λ = -1.0 a ) I( A/cm 2 ) 1.40E E-04 E ap = V E / V vs. SCE pastaa Sobre de negro de carbón nanoestructurado 2 ) I (A/cm 2-6.0E E (V vs. Hg/HgO,1M KOH) 35E E E E-03 III c E λ = λ m II c I c pasta b -8.9E-03 E λ = E E ( V vs. Hg/ HgO,1M KOH) -1.3E E (V vs. Hg/HgO,1M KOH)