Desempenho de baterias níquel-ferro em baixas temperaturas e na geração de hidrogênio por eletrólise da água utilizando eletrólito hidróxido de potássio composto com líquido iônico

Abstract

O aumento e diversificação da malha energética, assim como a busca por geração de energias renováveis, traz a necessidade do estudo de novas tecnologias e do implemento das já existentes. Nesse contexto, o presente trabalho teve como foco a bateria Ni-Fe (níquel-ferro) como dispositivo para armazenamento e geração de energia sustentável. A bateria Ni-Fe foi desenvolvida a décadas e nos últimos anos trabalhos de pesquisas referente a este tema vem se destacando. Com relação ao armazenamento, foi dado ênfase na potencialização do eletrólito por meio da adição de líquido iônico (LI) a fim de melhorar o processo de carga e descarga em baixas temperaturas; já para a geração de energia, foram testados os eletrodos Ni-Fe para geração de hidrogênio através da eletrólise da água. Ambos os experimentos foram conduzidos com a adição do LI Tetrafluoroborato de 1-butil-3-Metilimidazólio (BMI.BF4). Para a análise da eficiência de carga e descarga foram utilizadas cinco baterias, sendo adicionado aos eletrólitos o LI BMI.BF4 em diferentes quantidades: 0,5; 1,0; 1,5 e 2,0 g, e, também, testado o eletrólito padrão, composto com 30 % de KOH. As baterias foram carregadas a 1 Ah e descarregadas com carga de 1 Ω. O processo de carga e descarga ocorreu com a exposição dos eletrólitos em quatro temperaturas, sendo -10 °C, 0 °C, 10 °C e 20 °C. Os resultados mostraram que a adição do LI BMI.BF4 ao eletrólito de baterias Ni-Fe pode ser uma forma de potencializar a condutividade iônica em baixas temperaturas, sendo a adição de 0,5 g de LI BMI.BF4 que resultou na melhor composição proposta, aumentando o tempo de descarga e reduzindo a queda de tensão. Portanto, identificou-se uma melhora no desempenho das baterias Ni-Fe, podendo representar um avanço para o armazenamento de energia. Os experimentos para a geração de hidrogênio através da eletrólise da água, fazendo uso dos eletrodos de Ni-Fe, consistiram na análise dos eletrodos distando 20 e 40 mm. Para cada caso proposto foram utilizados o eletrólito padrão e o eletrólito com adição de 2,5 g de LI BMI.BF4 e foram aplicadas as densidades de corrente elétrica de 0,5; 1,0 e 1,5 A. Foi possível identificar que a velocidade vertical e a produção das bolhas aumentam quando adicionado o LI BMI.BF4, ou seja, maior produção de hidrogênio, sendo mais favorável quando o espaçamento entre os eletrodos é de 20 mm. Dessa forma, pode-se identificar que a adição de LI BMI.BF4 pode aumentar a geração de hidrogênio através da eletrólise da água, com eletrodos Ni-Fe, representando um possível avanço na geração de energia renovável.

The increase and diversification of the energy grid, as well as the search for the generation of renewable energy, brings with it the need to study new technologies and implement existing ones. In this context, the present work focused on the Ni-Fe (nickel-iron) battery as a device for storing and generating sustainable energy. The Ni-Fe battery has been developed over decades and in recent years research work on this topic has been highlighted. Regarding storage, emphasis was placed on enhancing the electrolyte through the addition of ionic liquid (IL) in order to improve the charging and discharging process at low temperatures; As for energy generation, Ni-Fe electrodes were tested for hydrogen generation through water electrolysis. Both experiments were prolonged with the addition of LI 1-Butyl-3- Methylimidazolium Tetrafluoroborate (BMI.BF4). To analyze the charging and discharging efficiency, five batteries were used, with LI BMI.BF4 being added to the electrolytes in different quantities: 0.5; 1.0; 1.5 and 2.0 g, and the standard electrolyte, composed of 30% KOH, was also tested. The batteries were charged to 1 Ah and discharged to 1 Ω. The charging and discharging process occurred with the exposure of electrolytes at four temperatures, namely - 10 °C, 0 °C, 10 °C and 20 °C. The results showed that the addition of LI BMI.BF4 to the electrolyte of Ni-Fe batteries can be a way to enhance ionic conductivity at low temperatures, with the addition of 0.5 g of LI BMI.BF4 resulting in the best proposed composition, increasing discharge time and reducing voltage drop. Therefore, an improvement in the performance of Ni-Fe batteries was identified, which could represent an advance for energy storage. The experiments for the generation of hydrogen through water electrolysis, using Ni-Fe electrodes, consisted of analyzing electrodes 20 and 40 mm apart. For each proposed case, the standard electrolyte and the electrolyte with the addition of 2.5 g of LI BMI.BF4 were used and electrical current densities of 0.5 were applied; 1.0 and 1.5 A. It was possible to identify that the vertical speed and bubble production increase when LI BMI.BF4 is added, that is, greater hydrogen production, being more favorable when the spacing between the electrodes is 20 mm. In this way, it can be identified that the addition of LI BMI.BF4 can increase hydrogen generation through water electrolysis, with Ni-Fe electrodes, representing a possible advance in the generation of renewable energy.