1. Mejora de la actividad electrocatalítica de electrodos de carbono para baterías de flujo redox
- Author
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Blanco Rodríguez, Clara, Santamaría Ramírez, Ricardo, Blanco Rodríguez, Clara [0000-0002-0922-1980], Santamaría Ramírez, Ricardo [0000-0001-9818-6998], García-Alcalde, Laura, Blanco Rodríguez, Clara, Santamaría Ramírez, Ricardo, Blanco Rodríguez, Clara [0000-0002-0922-1980], Santamaría Ramírez, Ricardo [0000-0001-9818-6998], and García-Alcalde, Laura
- Abstract
[EN] The development of energy storage devices with higher energy efficiency is necessary to achieve a sustainable energy system based in renewable energy sources. Vanadium redox flow batteries (VRFB) are standing out among the variety of energy solutions for stationary storage, nevertheless, one of the main device performance limiting factors are the electrodes, which need to be optimized. The main goal of this thesis is the modification of carbon fibre felts, typically used as electrodes in VRFB, which in turn improve their electrochemical performance towards the vanadium redox reactions during the battery charge and discharge. Two different pathways to improve the carbon fibre felt have been proposed in order to obtain novel, efficient and easily scale-up materials. The first method consisted of the incorporation of carbon nanomaterials (graphene materials or multiwalled carbon nanotubes) on the fibre surface by electrophoretic deposition (EPD). The comparison of the electrochemical performance between the modified electrodes and an electrode modified under the same experimental conditions but without nanomaterial deposition, revealed that the key factor for the improvement of the felt electrocatalytic activity is the underlying oxidation suffered by fibres during the EPD treatment., These results promoted the investigation on optimised electrochemical modification of carbon felt electrodes. In a second study, carbon felts were modified by electro-oxidation and electro-reduction treatments in different acidic media, seeking to study the influence of the developed oxygen containing functional groups on the electrochemical performance of the electrodes. The results concluded that the depth and the oxidation degree of the fibres are key parameters that affect the catalysis of vanadium reactions. Another challenge faced by the scientific community working in this field is the need to define a standardized method for the electrochemical characterization of electrode materials. The limited information regarding the used experimental conditions together with the lack of similitudes on cell geometries and electrode configuration impede the comparison between different results published. In this thesis a reproducible and reliable protocol for the electrochemical characterization of carbon-felt materials has been proposed. The compression degree of the felt and the electrode configuration setup have been studied, evaluating the influence of both parameters on the resistance and the electrochemical performance of graphitized carbon felts towards vanadium reactions redox, finally demonstrating a clear impact on both parameters., [ES] El cambio hacia un modelo energético más sostenible, basado en el uso de fuentes de energía renovable, hace necesario el desarrollo de dispositivos de almacenamiento con mayores eficiencias energéticas. Las baterías de flujo redox de vanadio (BFRV) se abren camino como parte de la solución energética para el almacenamiento estacionario, sin embargo, uno de los principales factores que limitan su rendimiento son los electrodos que integran estos dispositivos, siendo necesaria su mejora. Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo principal la modificación de fieltros de carbono, empleados como electrodos en BFRV, buscando mejorar su actividad electroquímica frente a las reacciones involucradas en la carga y descarga de la batería. Se han propuesto dos vías de mejora de los electrodos para la obtención de nuevos materiales fácilmente escalables y eficientes. Una primera vía consiste en la incorporación de nanomateriales de carbono (materiales grafénicos o nanotubos de pared múltiple) sobre fieltros de carbono comerciales mediante depósito electroforético (EPD). La comparación del comportamiento electroquímico de estos materiales con un electrodo sometido a las mismas condiciones experimentales, pero sin depósito de nanomaterial, reveló que el factor determinante en la mejora de la actividad electrocatalítica de los fieltros es la oxidación subyacente que sufren las fibras durante el tratamiento de EPD., Los resultados obtenidos en el estudio anterior motivaron la investigación sobre modificación electroquímica de fieltros de carbono. En un segundo trabajo los electrodos fueron sometidos a tratamientos de electro-oxidación y electro-reducción en diferentes medios ácidos, evaluando la repercusión de los grupos funcionales oxigenados desarrollados en el rendimiento electroquímico de los electrodos. Los resultados obtenidos permitieron concluir que la profundidad y el grado de oxidación de las fibras son parámetros clave que afectan a la catálisis de las reacciones de vanadio. Otro de los desafíos al que se enfrenta la comunidad científica es la necesidad de definir un método estandarizado para la caracterización electroquímica de materiales de electrodo. La falta de información acerca de las condiciones experimentales empleadas, junto con la falta de uniformidad en la geometría/configuración de celda ensayada limita la comparación cuantitativa entre resultados publicados. En la presente Tesis se propone un protocolo reproducible y fiable para la caracterización electroquímica inicial de materiales de electrodo. Se ha estudiado tanto el efecto del grado de compresión del fieltro como la configuración espacial de los electrodos en la celda de medida, y se ha analizado su influencia en la resistencia del sistema y en la respuesta electroquímica de fieltros de carbono frente a las reacciones redox de vanadio, demostrándose una clara influencia de ambos parámetros
- Published
- 2023