Bateria alcalina recargable Cobre Hierro.

[mmcompu]

Recuerdo que hace muchos años se hizo mucha investigación en plantas termosolares con almacenamiento en sales fundidas en España, luego en EEUU se intentó una mega planta de este tipo y se le conoce como el mayor fracaso en la historia de las energías limpias, puede que mucho del fracaso se deba a temas no-técnicos, pero es una realidad que el manejo de esas temperaturas y además con sales es un desafío enormemente complejo, en parte por los metales de las tuberías que se corroen, pero sobre todo por los sellos entre secciones, porque no hay plástico que soporte esas temperaturas y presiones.
Hace poco fue tendencia mundial una empresa europea que lo está intentando con arena a temperaturas mucho menores, yo creo que por ahí van los tiros, el principio no es patentable, por lo que cualquiera puede experimentar a placer y los requisitos para manejar arena bien lavada (sin sales) a temperaturas moderadas deben ser mucho menos complejos.
Lo de la batería de Ferro Niquel es todo un enigma, parece que había una empresa estadounidense que había heredado el "know-how" para fabricarlas de la época de Edison y era esa empresa la que mantenía precios exorbitantes, porque sus clientes estaban atados a ella como único proveedor, pero también porque aún a pesar de esos precios eran redituables para esos clientes, luego una empresa China las empezó a fabricar y bajó los precios, pero se mantienen incluso por encima de las de litio, lo que no suena muy lógico, pero puede deberse a que el nickel tampoco es precisamente barato y a que al parecer el electrolito es altamente tóxico.

[Sergi]

Buenas Mmcompu..

La batería de Edison Hierro-Níquel en principio es relativamente fácil de reproducir. Digo relativamente porque después ja sabemos que siempre aparecen truquitos y dificultades escondidas.

Los elementos activos son oxo-hidròxido de níquel III y hierro. En la descarga el níquel en estado de oxidación 3+ se reduce a hidròxido de niquel II en el cátodo absorbiendo electrones y el hierro se reduce a hidròxido de hierro II en el ánodo liberando electrones. En la carga se invierte la reacción.

cátodo: NiO(OH) + e <=> Ni(OH)2
ánodo: Fe <=> Fe(OH)2 +2e

La construcción de esta batería es la parte más interesante. Se construye en compartimentos tubos o "bolsas" metálicas micro-perforadas de hierro niquelado que contienen los materiales activos. No se muy bien si el niquelado es parte de la técnica galvánica de la batería y necesario para su correcto funcionamiento o es una solución para que no se corroa los compartimentos de los electrodos.
El hierro del ánodo puede ser polvo de hierro o lana de hierro. Sencillo de reproducir.
El oxo-hidròxido de níquel III también se puede sintetizar a partir de sulfato de níquel o cloruro de níquel en disolución acuosa añadiendo una disolución no saturada de hidróxido de sodio o hidróxido de potasio. Así obtenemos hidróxido de níquel II que precipita y no es soluble en agua. Y después pasar el níquel a estado de oxidación +3 añadiendo una gotas de agua oxigenada al Ni(OH)2. También se habrá de mezclar grafito en los componentes activos de los electrodos para mejorar la trasmisión de los electrones y algo de bromo en el cátodo para facilitar la reacción.

Pero sintetizar algunos quilos de oxo-hidròxido de níquel para una batería útil no es babalá. El níquel es tóxico y el oxo-hidróxido de níquel III está catalogado como compuesto cancerígeno por contacto. En principio no me apetece emprender esta tarea. Prefiero encontrar una solución menos tóxica. Pero en ánodo de hierro esponjoso si es interesante y estoy estudiando algunas configuraciones con Fe(OH)2 y otros cátodos.

El potencial redox de la semicelda de hierro ( Fe(OH)2 +2e <=> Fe ) es de -0,44v.
No he encontrado en ningún sitio el potencial redox del oxo-hidróxido de níquel III. La tabla más completa de potenciales electroquímicos que he encontrado es esta, y no aparece: https://www.sktevents.com/prometeo/silv ... series.pdf

Si alguien dispone de tablas de potenciales redox más completas se lo agradecería enormemente.

[Sergi]

el hierro se reduce a hidròxido de hierro II en el ánodo liberando electrones.

Donde dije "el hierro se reduce" tendría que decir "oxida"... en efecto, pierde electrones, no los gana. Correcto?

[Rovellat]

Asi, como dejado caer por si alguien oye el clock, llevo un tiempo buscando una litio-sulfato de hierro, creo que es el ánodo, el cátodo carbón, pero no pienso hacerla, sino comprarla, estoy esperando que bajen los precios, porque al precio actual sale mas caro que enchufarse a la eléctrica. Por cierto aparecen ventas chinas baratísimas, con "tiendas" que abrieron la semana pasada, y al poco desaparecen; y a los precios que están las fiables, pues casi merece mas la pena hacerse con un equipo solar, de esos que se cargan de un panel a 12V, o de la red, y dan 5V, 12V y 220VAC, mas baratos y con mas garantía de que van a llegar.

Pero bueno el LiFeSO4, parece que tiene poca autodescarga, admite descargas profundas, y larga vida; como de 10 años de carga-descarga diaria, con menos peligro de explosión del litio. Es hoy por hoy la mejor alternativa; seguro que pronto aparecen otras mejores, pero de momento están en el tintero, Y para un aficionado quizás hasta sean "fabricables". Parece ser que se necesita litio, sulfato de hierro, carbón, todo molido muy fino sin dejar que se oxide el litio, quizás haya que hacerlo dentro de gasoil, apelmazado, y muy poco mas.

Otro problemón es que los vendedores, no solo los xinos, que quizás lo hacen adrede, sino hasta nacionales de cierto arraigo, confunden los W con los Wh, y dan los Ah de las celdas que son de 3 y pico voltios, además mintiendo. Lo único importante son los W nominales y los Wh.

Saludos.

[Sergi]

Buenas Robellat...

Las de litio-ion, del tipo que sean (las de LiFeSo4 son un derivado) requieren de la puñetera membrana selectiva de iones y normalmente usan electrolitos orgánicos que, yo al menos, no he sabido donde encontrar o sintetizar. La construcción no seria ningún problema si se superan estos escollos. Es un sandwich de lamina de cobre pintada de pasta de coque común, la membrana (impregnada de electrolito) y el cátodo del material rarísimo que aporta iones de litio sobre una lámina de aluminio. Las que hay ahora en el mercado tiene oxido de litio cobalto III LiCoO2 o las de LiFePo4. El cátodo de azufre hierro en principio mejorara el precio y la densidad energética.



Aquí un página con bastante información sobre estas baterías. https://culturacientifica.com/2020/02/2 ... -de-litio/

La dificultad para conseguir o sintetizar los materiales complica la reproducción en plan aficionado.

[Sergi]

Volviendo a las Baterías...

Hierro - Hierro

Teóricamente existe una combinación que debería funcionar.

Ánodo:
Fe(OH)2 +2e <=> Fe potencial reducción -0,44v

Cátodo:
Fe(OH)3 + e <=> Fe(OH)2 + OH potencial reducción -0,56v

En descarga el cátodo se oxidaría así que E= E oxi. - E Red. =0,44 + 0,56= 1,1v

El potencial redox es positivo así que el punto de equilibrio seria la descarga y la carga la alejaría del equilibrio.

Monté los electrodos inicialmente con lana de acero sobre una chapa de hierro y separadores de gamuza y rejilla de plástico. Electrolito de KOH

La tensión inicial como es natural era de 0v. Con una carga de 1,5v durante una hora subió a 0,36v y una descarga en cortocircuito de 25mA. Después de 8 horas de reposo bajó la tensión a 0,12v. Lo volví a cargar a 1v durante 16 horas recuperando 0,42v. El resultado se puede ver en la foto. Se formó hidróxidos de hierro en los dos electrodos. Más Fe(OH)2 en el cátodo (la sustancia negra) y más predominio de Fe(OH)3 en el ánodo (la sustancia marrón).



En estas condiciones aportaba unos 13-9 mA durante 3 minutos con una carga de 10 ohm después de un periodo de carga de una hora, 1,3v a 80mA. Dejando reposar la batería durante 8 horas más perdió casi completamente la carga a 0,12v.
Después de varios ciclos de carga y descarga los electrodos tenían este aspecto.



La eficiencia es nefasta. Pero supone un experimento interesante para ver como se trasmuta los hidróxidos de hierro al cambiar los estados de oxidación.


Hierro - Cobre

Recuperando el titulo del hilo. Intercalé un electrodo cátodo de chapa de cobre recubierto de grafito en polvo mezclado con cobre en polvo. En la foto el polvo preparado antes de recubrir la chapa de cobre.



Como ánodos los dos electrodos de hierro del experimento anterior.

Las reacciones teóricas serian:

Ánodo:
Fe(OH)2 +2e <=> Fe potencial reducción -0,44v

Cátodo:
Cu+ +e <=> Cu potencial reducción +0,51v
Cu2+ +2e <=> Cu potencial reducción +0,34v
Cu3+ +e <=> Cu2+ potencial reducción +2,4v
Cu(OH)2 + 2e <=> Cu +2OH potencial reducción -0,22v

Sin carga aportó 0,2v
Cargando a 1,3v elevó la tensión hasta 0,8v, una vez desconectada de la fuente, y una intensidad de descarga en cortocircuito de 40mA.
Después de una carga a 1,2v (150mA - 80mA) durante seis horas seguía aportando 40mA en cortocircuito. Mantenía una intensidad de 18mA durante 3 minutos con una carga de 10 ohm.
Dejando reposar la batería durante 10 horas mantuvo la carga aportando una tensión de 0,68v!! y una intensidad de 16mA durante 3 minutos con una carga de 10 ohm. Es la primera batería de todas las probadas que no se autodescarga

He repetido varios ciclos de carga y descarga con resultados similares. Siempre entre 0,56v y 0,68v después de varias horas de reposo. Así que me inclino a pensar en la posible reacción:

ánodo: Fe(OH)2 +2e <=> Fe potencial reducción -0,44v
cátodo: Cu(OH)2 + 2e <=> Cu +2OH potencial reducción -0,22v

E= E oxi. - E Red. =0,44 + 0,22= 0,66v

Si alguien tiene mejor idea de lo que está pasando soy todo oídos.

Sigo en otro post...

[Sergi]

Continuo con la batería de Hierro-Cobre..

Como ya he comentado, el anterior electrodo era lana de acero sobre una chapa de hierro y protegida con papel de filtro. Se ha formado hidróxido de hierro tras varias sesiones de carga y descarga. Después monté una nueva versión de este mismo electrodo (con lana de acero) pero embutida en una carcasa de malla de inox de paso fino (0,3mm de luz). Construí dos electrodos iguales.






Para el cátodo realicé el mismo montaje de malla de inox pero esta vez repleto de virutas de cobre hechas al torno a partir de tubos de cobre viejos.



Las virutas las impregné de Cu(OH)2 sintetizado a partir de una disolución acuosa de CuSO4 y disolución diluida de Na(OH).
El montaje es un sandwich de tres electrodos Fe-Cu-Fe.

En la foto se puede ver (arriba) el anterior prototipo (cátodo grafito + polvo de cobre sobre chapa de cobre y ánodos de lana de acero sobre chapa de hierro), y la nueva versión (debajo) hecha con sobres de malla de inox.



Sin carga, la versión a partir de bolsas de malla de inox, daba solo 0,2v y apenas 10mA en cortocircuito.
Después de 20 minutos de carga a 1,2v -200mA se elevó a 1,81v y 150mA en cortocircuito.
Tras siete horas de carga a 1,7v, daba 1,49v y 300mA en cortocircuito.

Amplié el montaje con dos electrodos más. Fe-Cu-Fe-Cu-Fe y lo sometí a cinco ciclos de carga y descarga con el cargador de baterías electrónico. El ciclo de descarga que más capacidad contabilizó fue de 3mAh.
Es una miseria, pero quiere decir que soporta 70mA de descarga durante 3 minutos. 7 veces más que los anteriores montajes.
La corriente en cortocircuito una vez cargada esta batería supera 1,2A. Pero al cabo de 10 horas de reposo pierde completamente la carga, bajando el voltaje hasta 0,05v.

Inspeccionando los electrodos pude comprobar que no se formó hidróxido de hierro en los ánodos. A diferencia del montaje de lana de acero sobre chapa de hierro en que la lana estaba expuesta directamente al electrolito, con la malla de inox se dificulta la oxidación del hierro. Esto me hace recordar que la batería de níquel hierro de Edison lleva los encapsulados de los electrodos niquelados. Nuevamente, la duda de si esto puede afectar en algo o si podemos esperar un resultado similar con encapsulado de malla de inox pero lo que está fallando es la sustancia activa de los electrodos.

Por último, he construido una nueva versión de los electrodos encapsulados en malla de inox y lana de acero.






Parece una tostada con nutella
La pasta es una mezcla de Fe(OH)3 y grafito en polvo con la que he impregnado la lana de acero antes de cerrar el sobre de malla de inox. He dejado el nuevo montaje haciendo ciclos de carga y descarga con el cargador electrónico a ver que pasa.

Saludos

[Sergi]

Buenas...


El misterio se empieza a desvelar.

El último experimento consistía en un sandwich de electrodos Fe-Cu-Fe-Cu-Fe.

De los dos electrodos de cobre, solo uno estaba impregnado de Cu(OH)2 y polvo de grafito, el otro era virutas de cobre sin más. Los dos encapsulados en un sobre de malla de inox de 10x10cm.
De los tres electrodos de hierro, solo uno estaba impregnado de Fe(OH)3 y polvo de grafito. El los otros dos eran simplemente lana de acero. Todos encapsulados en un sobre de de malla inox de 10x10cm.

.

Los electrodos de hierro y cobre conectados en paralelo respectivamente. Todos los electrodos de cada tipo han estado sometidos al mismo voltaje de carga de 2v limitada a 500mA durante el mismo intervalo.

Después de varios ciclos de carga y descarga los he dejado cargados en reposo durante 15 horas. El resultado ha sido el siguiente:

• El voltaje residual entre los electrodos sin hidróxidos ha sido prácticamente cero. Concuerda con un experimento anterior en el que se perdía toda la carga al cabo de varias horas.

• El voltaje residual entre los dos electrodos con hidróxido (Cu(OH)2 y de Fe(OH)3 respectivamente) ha sido de 0,66v. Ha mantenido la carga y una corriente en cortocircuito de 160mA.

• El voltaje residual entre el electrodo de cobre con hidróxido Cu(OH)2 y el de lana de hierro a secas ha sido de 0,51v. Con una corriente puntual en cortocircuito de 50mA.

• El voltaje residual entre el electrodo de hierro con hidróxido Fe(OH)3 y el de virutas de cobre a secas ha sido de 0,15v. La corriente en cortocircuito casi despreciable

Parece confirmado que la sustancia activa, hidróxidos en cada caso, mejora mucho la persistencia de la carga y la capacidad de aportar intensidad en una posterior descarga.

Con estos resultados me he puesto a sintetizar más compuestos.

La síntesis del hidróxido de hierro la he ajustado para conseguir Fe(HO)2 con estado de oxidación II en vez de III para probar la diferencia con el anterior:

hidróxido de hierro II

FeSO4 · 7H2O= 278g/mol
NaOH = 34g/mol
Fe(OH)2 =89,8g/mol

FeSO4 + 2NaOH -> Fe(OH)2 + Na2SO4

27,8g de FeSO4 + 7g de NaOH deberían dar 8,9g de Fe(OH)2 si he hecho bien los cálculos.

hidróxido de cobre II

En este caso he estado estudiando la literatura de la reacción y en diversos textos recomendaban el paso intermedio con amoniaco formando sulfato de tetraamín cobre(II) [Cu(NH3)4]SO4. En principio debería dar como resultado un hidróxido más estable.

He ajustado los reactivos de la siguiente forma.

CuSO4 · 5H2O = 249g/mol
NaOH = 34g/mol
NH3 = 17g/mol

CuSO4 + 4NH3 -> [Cu(NH3)4]SO4
[Cu(NH3)4]2+ + 2NaOH -> Cu(OH)2

A 48 g de CuSO4 pentahidratado en disolución acuosa ha añadido 5ml de NH3 diluido al 4% (amoniaco comercial de limpieza). Se ha formado un liquido azul intenso. No tenia muy claro cuanta cantidad de amoniaco debía mezclar, pues los textos que he encontrado hablaban de añadir amoniaco hasta que se diluya el compuesto azul turquesa inicial. Un poco a ojo, la verdad.

Después he añadido 18 gramos de NaOH disuelto en la mínima agua. Se ha formado un compuesto azul intenso que ha precipitado.
Para las proporciones he seguido la receta de un texto de síntesis de hidróxido de cobre II. A mi me falta NaOH para ajustar la reacción. Tal vez la presencia de amoniaco hace innecesario el resto de hidróxido de sodio. O tal vez es mejor no saturar la reacción para que no se desestabilice el hidróxido resultante. Si alguien sabe como funciona realmente agradecería que me aclarase este punto.

En la foto el hidróxido resultante filtrándose.



Ha resultado una sustancia mucho más azul que el compuesto que había sintetizado anteriormente sin el paso intermedio de amoniaco. Veremos como funciona cuando este seco y lo pruebe en los nuevos cátodos.

Saludos

[maca]

Has observado al microscopio el separador para ver si se forman filamentos metálicos ?

[Rovellat]

Yo me inclino a pensar que lo mas positivo a nivel aficionado es la pila de combustible; funcionar funciona, creo que ya hay coches que la usan; durante el día generar hidrógeno, por la noche quemarlo en la pila.

https://www.cnh2.es/pilas-de-combustible/

https://es.wikipedia.org/wiki/Pila_de_combustible

Saludos.