Avaliação do uso do V2O5 produzido pela Vanádio de Maracás (Bahia) para produção de eletrólitos para bateria redox de vanádio

Abstract

O vanádio é um elemento químico, normalmente encontrado na natureza associado a 65 minerais e depósitos de petróleo. É bastante utilizado na indústria metalúrgica na produção de aços de alta resistência e como catalisador em reações químicas. A sua forma comercial mais comum é o pentóxido de vanádio, que, por sua vez, é uma das principais matérias primas na produção de eletrólitos de vanádio utilizados em sistemas de bateria redox de vanádio para armazenamento de energia. O objetivo deste trabalho é avaliar o uso do pentóxido de vanádio, produzido na usina da Vanádio de Maracás S.A., como matéria-prima na fabricação de eletrólitos de vanádio. Para isso foram realizados testes de espectrometria de absorção atômica e de desempenho eletroquímico, como voltametria cíclica e carga-descarga. A partir do pentóxido de vanádio, da Vanádio de Maracás, foram produzidos eletrólitos contendo 0,114 molL-1 de vanádio e 3 M de ácido sulfúrico, com potencial de célula de 1,14 V. Os testes de voltametria cíclica mostraram que no eletrólito negativo as reações de oxirredução entre o par V2+ e V3+ possuem características de um sistema quase-reversível, e no eletrólito positivo as reações entre V4+ e V5+ possuem características de um sistema reversível. Foi observado, também, que quando adicionado sulfato de sódio e sulfato de magnésio em soluções de 5 M de ácido sulfúrico, ocorre a precipitação do pentóxido de vanádio. Nos testes de carga e descarga a bateria alcançou até 90% de eficiência coulômbica, 98% de eficiência de tensão e 88% de eficiência energética, comparando-se a outros sistemas de armazenamento de energia desenvolvidos. Após alguns testes de carga e descarga, foi observado forte desgaste nos eletrodos de grafite presentes no interior da célula, comprometendo, assim, a sua eficiência energética.

Vanadium is a chemical element, and in vanadium compounds occur naturally in about 65 minerals and in fossil fuel deposits. It is usually marketed as vanadium pentoxide, which in turn is one of the main raw materials in the production of vanadium electrolytes used in vanadium redox battery systems for energy storage. Among the chemical compounds of vanadium sold, vanadium pentoxide has the lowest production cost, thus becoming the favourite in the manufacturing of vanadium electrolytes. This paper aims at assessing the use of vanadium pentoxide, produced at the Vanádio de Maracás S.A. (VMSA) plant, as a raw material in the manufacture of vanadium electrolytes. Atomic absorption spectrometry and electrochemical performance tests were carried out in the laboratory, along with analysis of electrolytes by cyclic voltammetry and loading-discharge tests. Electrolytes containing 0.114 mol.L-1 vanadium and 3 M H2SO4, and cell potential of 1.14 V, were produced from VMSA vanadium pentoxide. The results of cyclic voltammetry showed that in the V2+/V3+ electrolyte the oxy-reduction reactions between the pair V2+ and V3+ have characteristics of a quasi-reversible system, and in the V4+/V5+ electrolyte the reactions between the pair V4+ and V5+ have characteristics of a reversible system. It was also observed that when adding sodium and magnesium sulphate in 5 M H2SO4 solutions, there is the precipitation of vanadium pentoxide. In charge-discharge tests with the electrolyte containing 0.114 mol.L-1 vanadium and 3 M H2SO4 in solution, the battery showed 90% coulombic efficiency, 98% voltage efficiency and 88% energy efficiency, compared to other developed energy storage systems. After some charge-discharge tests, strong wear was observed on graphite electrodes, severely compromising the energy efficiency of the cell.