Evaluación del desempeño electroquímico del prototipo de una celda de flujo redox con electrolitos de hierro a escala de laboratorio
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Date
2026-02-20
Authors
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Publisher
Universidad de Cuenca. Facultad de Ciencias Químicas
Abstract
Redox flow batteries (RFBs) based on iron electrolytes represent a promising alternative for large-scale energy storage due to their low cost, material abundance, and enhanced environmental sustainability. However, their efficiency is limited by transport phenomena and electrolyte physicochemical stability. This work evaluated the performance of an RFB employing iron–gluconate and potassium ferrocyanide redox pairs in alkaline medium (KOH 1.0 mol·L⁻¹) to identify energy loss mechanisms and operational degradation. The methodology involved electrolyte synthesis at 0.32 mol·L⁻¹ and assembly of a prototype with Nafion NR212 membrane, graphite felt electrodes, and acrylic plates. Physicochemical characterizations were performed using UV–Vis spectrophotometry and atomic absorption, along with galvanostatic charge (0.1 A) and resistive discharge (10 Ω) tests over 20 cycles, operating between 10% and 90% state of charge. Results revealed a 31% capacity loss, decreasing from 0.539 to 0.372 Ah·L⁻¹. Voltage efficiency remained stable (~81%), while coulombic efficiency dropped from 64.6% to 52.5%. This behavior was attributed to species crossover through the membrane and resulting stoichiometric imbalance, evidenced by massive water transport (catholyte: 0.32 to 2.55 mol·L⁻¹) and severe anolyte conductivity decrease (71.8%). Stable pH at 13 confirmed absence of irreversible chemical degradation. Technical viability requires optimized membranes and higher operating current density.
Resumen
Las baterías de flujo redox (RFB) basadas en electrolitos de hierro constituyen una alternativa prometedora para el almacenamiento de energía a gran escala debido a su bajo costo, abundancia de materiales y mayor sostenibilidad ambiental. No obstante, su eficiencia se ve limitada por fenómenos de transporte y estabilidad fisicoquímica de los electrolitos. Este trabajo evaluó el desempeño de una RFB empleando los pares redox hierro–gluconato y ferrocianuro de potasio en medio alcalino (KOH 1.0 mol·L⁻¹) para identificar mecanismos de pérdida energética y degradación operativa. La metodología consistió en la síntesis de electrolitos a 0.32 mol·L⁻¹ y el ensamblaje de un prototipo con membrana Nafion NR212, electrodos de fieltro de grafito y placas de acrílico. Se realizaron caracterizaciones fisicoquímicas mediante espectrofotometría UV–Vis y absorción atómica, junto con ensayos de carga galvanostática (0.1 A) y descarga resistiva (10 Ω) durante 20 ciclos, operando entre 10% y 90% de estado de carga. Los resultados revelaron una pérdida de capacidad del 31%, descendiendo de 0.539 a 0.372 Ah·L⁻¹. La eficiencia de voltaje permaneció estable (~81%), mientras que la eficiencia coulómbica cayó del 64.6% al 52.5%. Este comportamiento se atribuyó al crossover de especies a través de la membrana y al desbalance estequiométrico resultante, evidenciado por transporte masivo de agua (catolito: 0.32 a 2.55 mol·L⁻¹) y disminución severa de conductividad del anolito (71.8%). El pH estable en 13 confirmó ausencia de degradación química irreversible. La viabilidad técnica del sistema requiere implementación de membranas optimizadas y mayor densidad de corriente operativa.
Keywords
Ingeniería Química, Electrolitos alcalinos, Electrolitos de hierro, Baterías de flujo redox
Citation
Código de tesis
TQ; 688
Código de tesis
Grado Académico
Ingeniero Químico