Batteria redox a flusso di vanadio: reazioni

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.

Una batteria redox a flusso è 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.

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. Le celle elettrochimiche possono essere collegate elettricamente in serie o in parallelo, determinando così la potenza del sistema di una batteria redox a flusso.

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

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 in una batteria redox a flusso di vanadio

Una batteria redox a flusso di vanadio il cui funzionamento fu brevettato nel 1986 grazie agli studi dell’ingegnere chimico australiano Maria Skyllas-Kazacos 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 : V^{3 +} + 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⁺ + V^{3 +} + 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.