BR112012004280A2 - dispositivo de armazenagem elétrico e eletrodo do mesmo - Google Patents

Abstract

dispositivo de armazenamento elétrico e eletrodo do mesmo a presente invenção se refere geralmente a eletrodos, dispositivos de armazenamento elétricos compreendendo os eletrodos e métodos para a produção dos eletrodos e dos dispositivos de armazenamento elétricos. os eletrodos compreendem um coletor de corrente, uma manta eletricamente condutiva e primeiro e segundo materiais eletroativos, o primeiro material eletroativo tendo uma densidade de energia mais alta do que o segundo material eletroativo, e o segundo material eletroativo tendo uma capacidade de taxa mais alta do que o primeiro material eletroativo. a manta eletricamente condutiva provê um suporte estrutural e condutivo para pelo menos um dos materiais eletroativos de taxa alta e de energia alta. os eletrodos podem ser providos em várias configurações e ser usados em dispositivos de armazenamento elétricos de taxa alta e de energia alta para a provisão de uma vida cíclica melhorada.

Description

g DISPOSITIVO DE ARMAZENAMENTO ELÉTRICO E ELETRODO DO MESMO

CAMPO . A presente invenção refere-se geralmente a eletrodos, dispositivo de armazenamento elétricos compreendendo os eletrodos, e métodos para a produção dos eletrodos e dispositivos de armazenamento elétricos.

ANTECEDENTES Embora tenha havido muitos avanços significativos no desenvolvimento de novas baterias e redes de potência para dispositivos de transporte e comunicação, diferentes tipos de baterias podem apresentar problemas quando usados em ambientes em particular. Por exemplo, as baterias atualmente usadas para veículos de potência elétrica Sofre de vários problemas. Altas demandas são impostas a estas baterias em termos da corrente retirada de e recarregada para a bateria em vários estágios durante uma operação de veículo. Por exemplo, em veículos elétricos, uma taxa alta de descarga é necessária a partir da bateria para $e permitir uma aceleração, e uma taxa alta de recarregamento da bateria está associada a uma frenagem regenerativa. Na situação em que baterias de chumbo ácido são utilizadas, particularmente em veículos elétricos híbridos, a taxa alta de descarregamento e de recarregamento de bateria pode resultar na formação de uma camada de sulfato de chumbo na superfície da placa negativa, e a geração de gás hidrogênio e oxigênio nas placas negativa e positiva. Isto surge largamente como resultado de demandas de corrente altas na bateria. As condições parciais de estado de carga (PSoC) sob as quais estas baterias geralmente operam são de 20 a 100% para veículos elétricos, de 40 a 60% para veículos elétricos híbridos, e de 70 a 90% para veículos elétricos híbridos moderados.

Isto é um estado de carga parcial de É taxa alta (HRPSOC). Sob uma carga de HRPSoC simulada, tais como operações de veículo elétrico híbrido e híbrido i 5 moderado, as baterias de chumbo ácido podem falhar prematuramente, principalmente devido à acumulação progressiva de sulfato de chumbo nas superfícies das placas negativas.

Isto ocorre porque o sulfato de chumbo não pode ser convertido eficientemente de volta em chumbo esponjoso durante um carregamento a partir de uma frenagem regenerativa ou a partir do motor.

Eventualmente, esta camada de sulfato de chumbo se desenvolve até uma extensão tal que a área superficial efetiva da placa é reduzida notadamente, e a placa não pode mais entregar a corrente mais alta demandada a partir do automóvel.

Isto reduz significativamente o intervalo de vida potencial da bateria.

Os dispositivos de armazenamento de energia portáteis e recarregáveis, tais como baterias eletroquímicas recarregáveis e capacitores, estão se tornando crescentemente essenciais para ativação de uma faixa de dispositivos modernos de transporte e comunicação.

Conforme mencionado acima, em muitos dispositivos, a combinação de potência alta instantânea ou taxa alta juntamente com energia alta é requerida.

Os eletrodos híbridos e as baterias foram desenvolvidos, que combinam um capacitor eletroativo com uma bateria eletroquímica para adequação às exigências de potência de pico de aplicações de potência pulsada.

Embora este tipo de construção combinada possa melhorar significativamente a performance de bateria, tal

Y como provendo uma vida de ciclo melhorada, ainda há vários problemas com esses dispositivos híbridos, que ainda ni limitam sua performance geral e a vida de ciclo. Ú Consequentemente, há uma necessidade de provisão de eletrodos alternativos e dispositivos de armazenamento elétricos incluindo baterias melhoradas de chumbo ácido , as quais têm um intervalo de vida melhorado e/ou uma performance melhorada, se comparados com baterias atuais.

SUMÁRIO A presente invenção geralmente provê um eletrodo para um dispositivo de armazenamento elétrico. A invenção também provê um dispositivo de armazenamento elétrico compreendendo o eletrodo, tal como uma bateria de chumbo ácido compreendendo o eletrodo. Em um primeiro aspecto, é provido um eletrodo para um dispositivo de armazenamento elétrico, compreendendo: um coletor de corrente; um primeiro material eletroativo; um segundo material eletroativo; e uma manta eletricamente condutiva; em que: o primeiro material eletroativo tem uma densidade de energia mais alta do que Oo segundo material eletroativo, e o segundo material eletroativo tem uma capacidade de taxa mais alta do que o primeiro material eletroativo; e a manta eletricamente condutiva "provê suporte estrutural e condutivo para pelo menos um dentre o primeiro material eletroativo e o segundo material eletroativo. Em uma modalidade, a manta eletricamente condutiva é capaz de prover suporte estrutural para pelo menos um

| dentre o primeiro material eletroativo e o segundo material eletroativo para redução do desfolhamento dos mesmos do " eletrodo. Em uma outra modalidade, a manta eletricamente i condutiva é uma folha de fibra de carbono, por exemplo, uma folha não tecida de fibra de carbono. A manta eletricamente condutiva pode ser porosa e/ou pode compreender uma rede de fibras eletricamente condutivas interconectadas. Cada um dentre o primeiro material eletroativo, o segundo material eletroativo e a manta eletricamente condutiva pode ser provido no coletor de corrente, ou em cada outro, como um revestimento, uma camada ou região, em qualquer ordem ou arranjo, e pode ser disposto com outros revestimentos, camadas (incluindo camadas intervenientes) ou materiais. Quaisquer uma Ou mais regiões, camadas Ou revestimentos, podem compreender os primeiro e segundo materiais eletroativos, ou quaisquer uma ou mais regiões, camadas ou revestimentos podem compreender o primeiro material eletroativo e/ou o segundo material eletroativo, opcionalmente com um ou mais aditivos, os quais podem incluir aglutinantes ou agentes de aglutinação, espessantes, fibras, materiais de condução e agentes de formação de poro. O primeiro material eletroativo pode ser intermisturado em quantidades variadas com o segundo material eletroativo em quaisquer uma Ou mais regiões, revestimentos ou camadas ou o primeiro material eletroativo pode ser provido em uma ou mais regiões separadas, revestimentos ou camadas para aquelas do segundo material eletroativo.

Em uma modalidade, a manta eletricamente condutiva compreende um ou mais revestimentos, camadas ou regiões

. compreendendo pelo menos um dentre o primeiro material eletroativo e o segundo material eletroativo. Em uma outra "a modalidade, a manta eletricamente condutiva compreende um ou mais revestimentos, camadas ou regiões consistindo no Í 5 primeiro material eletroativo ou no segundo material eletroativo, opcionalmente com um ou mais aditivos. Em uma outra modalidade, a manta eletricamente condutiva é provida como uma camada interveniente separando o primeiro material eletroativo do segundo material eletroativo. Em uma outra modalidade, pelo menos um dentre o primeiro material eletroativo e o segundo material eletroativo é depositado e/ou incorporado com a manta eletricamente condutiva.

Em uma outra modalidade, um dentre os primeiro e segundo materiais eletroativos é provido como uma primeira camada discreta depositada sobre o coletor de corrente, e o outro dos primeiro e segundo materiais eletroativos é provido como uma segunda camada discreta depositada sobre a primeira camada discreta, e em que a manta eletricamente condutiva é provida como uma terceira camada discreta em contato com a segunda camada discreta.

Em uma outra modalidade, o primeiro material eletroativo é provido como uma primeira camada discreta depositada sobre o coletor de corrente, e a manta eletricamente condutiva é provida como uma segunda camada discreta em contato com a primeira camada discreta, e o segundo material eletroativo é provido como uma terceira camada discreta depositada sobre a segunda camada discreta.

O primeiro material eletroativo pode ser selecionado a ; partir do grupo que consiste em La, Li, Na, Al, Fe, Zn, Cd, Pb, Sn, Bi, V, Mn, Co, Ni, Ag e suas ligas, Óxidos,

: hidróxidos, hidretos, carburetos, nitretos ou sulfetos, carbono, polianilina, politiofeno, polifluorofeniltiofeno, a polipirrol, polímeros dopados n ou p, polímeros de oxirredução, e misturas dos mesmos. Em uma modalidade, o É 5 primeiro material eletroativo é um material à base de chumbo, por exemplo, chumbo esponjoso, o qual tipicamente é usado em um eletrodo negativo para uma bateria de chumbo ácido, ou dióxido de chumbo, o qual tipicamente é usado em um eletrodo positivo para uma bateria de chumbo ácido, ou um material capaz de formar chumbo esponjoso ou um material de eletrodo de dióxido de chumbo em uma ativação do mesmo.

O segundo material eletroativo pode ser selecionado a partir do grupo que consiste em Nb, Hf, Ti, Ta, Li, Fe, Zn, Sn, Ru, Ag, Pt, Ir, Pb, Mo, W, Ni, Co e seus óxidos, hidróxidos, hidretos, carburetos, nitretos ou sulfetos, carbono, polianilina, politiofeno, polifluorofeniltiofeno, polipirrol, polímeros dopados n ou p, polímeros de oxirredução, e misturas dos mesmos. Em uma modalidade, o segundo material eletroativo é selecionado a partir do grupo que consiste em carbono de área superficial alta, óxido de rutênio, óxido de prata, óxido de cobalto e polímeros de condução. O carbono de área superficial alta pode ser carbono ativado, negro de carbono, carbono amorfo, nanopartículas de carbono, nanotubos de carbono, fibras de carbono ou uma mistura dos mesmos. Em uma modalidade, o segundo material eletroativo é carbono ativado.

Em um segundo aspecto, é provido um dispositivo de armazenamento elétrico compreendendo pelo menos um par de eletrodos negativos e positivos, em que pelo menos um eletrodo é um eletrodo de acordo com o primeiro aspecto

1 descrito aqui. O eletrodo de acordo com o primeiro aspecto pode É compreender um eletrodo negativo do dispositivo de i armazenamento elétrico, em que o primeiro material ] 5 eletroativo é selecionado a partir de um ou mais do grupo que consiste em cádmio, hidretos de metal, chumbo e zinco. Em uma modalidade, o primeiro material eletroativo é chumbo.

O eletrodo de acordo com o primeiro aspecto pode compreender um eletrodo positivo do dispositivo de armazenamento "elétrico em que o primeiro material eletroativo é selecionado a partir de um ou mais do grupo que consiste em óxido de níquel, óxido de chumbo e prata. Em uma modalidade, O primeiro material eletroativo é óxido de chumbo.

Em uma modalidade, o dispositivo de armazenamento elétrico é configurado para operação sob uma força de compressão de menos de em torno de 80 kPa.

Em um terceiro aspecto, é provido um dispositivo de armazenamento elétrico que compreende pelo menos um dentre um eletrodo positivo à base de dióxido de chumbo e pelo menos um eletrodo negativo à base de chumbo esponjoso em uma solução de eletrólito de ácido sulfúrico, em que pelo menos um eletrodo negativo à base de chumbo esponjoso compreende: um coletor de corrente; uma primeira camada depositada sobre o coletor de corrente, a primeira camada compreendendo chumbo esponjoso; a segunda camada em contato com à primeira camada, a segunda camada compreendendo uma manta eletricamente

E condutiva compreendendo uma rede de fibras de carbono condutivas eletricamente interconectadas; ú uma terceira camada depositada sobre a segunda camada, a terceira camada compreendendo um segundo material ' 5 eletroativo; em que o chumbo esponjoso tem uma densidade de energia mais alta do que o segundo material eletroativo, e oO segundo material eletroativo tem uma capacidade de taxa mais alta do que o chumbo esponjoso.

Em um quarto aspecto, é provido um processo para a fabricação de um eletrodo de acordo com um primeiro aspecto descrito aqui, o processo compreendendo: a formação de uma camada compósita compreendendo pelo menos um dentre o primeiro material eletroativo e o segundo material eletroativo depositado sobre e/ou incorporado na manta eletricamente condutiva; e o acoplamento da camada compósita ao coletor de corrente. Em uma modalidade, o processo ainda compreende a formação de um revestimento do primeiro material eletroativo sobre o coletor de corrente, e o acoplamento da camada compósita ao revestimento do primeiro material eletroativo no coletor de corrente.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS As modalidades preferidas da presente invenção serão descritas e ilustradas, agora, adicionalmente, a título de exemplo apenas, com referência aos desenhos associados, nos | quais: as figuras la e lb mostram um processo passo a passo para a obtenção de dois tipos de arranjos de um eletrodo de

' acordo com as modalidades da presente invenção; as figuras 2a e 2b mostram um processo passo a passo " para a obtenção de dois tipos de arranjos, conforme mostrado nas figuras la e lb, respectivamente, envolvendo um coletor de corrente formado a partir de uma grade de liga de chumbo;

a figura 3 mostra um equipamento de teste e um arranjo usados para a determinação da performance de ciclo de eletrodos sob uma faixa de compressões, quando incorporados em uma célula de trabalho;

a figura 4 mostra o perfil de teste envolvendo a sequência de carregamento e descarregamento usada com O equipamento de teste e o arranjo de acordo com a figura 3;

a figura 5 é um gráfico que mostra a performance de ciclo sob diferentes forças de compressão de uma faixa de quatro células feitas a partir de diferentes eletrodos negativos de acordo com várias modalidades da presente invenção;

a figura 6 é um gráfico que mostra a relação geral entre “o número de ciclo e à força de compressão de célula para eletrodos testados;

a figura 7 é um gráfico que mostra O perfil de carregamento e descarregamento envolvido para teste de folhas não tecidas de fibra de carbono, incluindo mudanças em voltagem de célula, potencial de eletrodo positivo e potencial de eletrodo negativo durante carga e descarga em 20 mA em um ciclo;

a figura 8 é um gráfico que mostra as mudanças na voltagem de célula e potencial de eletrodo negativo com o tempo para um conjunto de 10 ciclos envolvidos com o teste

| p das folhas não tecidas de fibra de carbono; a figura 9 é um gráfico que mostra as mudanças na - voltagen de célula, potencial de eletrodo positivo e Í potencial de eletrodo negativo durante carga e descarga a K 5 50 mA em um ciclo envolvido com o teste das folhas não tecidas de fibra de carbono;

a figura 10 é um gráfico que mostra as mudanças na voltagem de célula e no potencial de eletrodo negativo com o tempo para um conjunto de 4 ciclos envolvidos com testes

10 da folha não tecida de fibra de carbono;

a figura 11 mostra uma configuração de célula usada para o teste de variações em quatro diferentes composições de material eletroativo de taxa alta de acordo com várias modalidades da presente invenção;

a figura 12 mostra uma configuração de célula usada para o teste de variações em diferentes mantas eletricamente condutivas de acordo com várias modalidades da presente invenção;

a figura 13 é um gráfico que mostra as mudanças na voltagem de célula e na capacidade para um protocolo de carga / descarga de corrente alta para uma célula compreendendo —“uma composição de capacitor em pasta diretamente sobre a folha de chumbo da célula, onde a composição de capacitor compreende 20% em peso de óxido de chumbo, 20% em peso de negro de carbono e 35% em peso de carbono ativado;

a figura 14 é um gráfico que mostra as mudanças na voltagem de célula e na capacidade para um protocolo de carga / descarga de corrente alta para uma célula compreendendo uma composição de capacitor em pasta diretamente sobre a folha de chumbo da célula, onde a composição de capacitor compreende 20% em peso de óxido de a chumbo, 20% em peso de negro de carbono e 45% em peso de

] carbono ativado;

Ú 5 a figura 15 é um gráfico que mostra as mudanças na voltagem de célula e na capacidade para um protocolo de carga / descarga de corrente alta para uma célula compreendendo uma folha não tecida de fibra de carbono 800040 com uma composição de capacitor em pasta sobre ela,

compreendendo 20% em peso de óxido de chumbo, 30% em peso de negro de carbono e 35% em peso de carbono ativado;

a figura 16 é um gráfico que mostra as mudanças na voltagem de célula e na capacidade para um protocolo de carga / descarga de corrente alta para uma célula compreendendo uma folha não tecida de fibra de carbono 800030 (25,4 mm) com uma composição de capacitor em pasta sobre ela, compreendendo 20% em peso de óxido de chumbo, 30% em peso de negro de carbono e 35% em peso de carbono ativado;

a figura 17 mostra uma configuração de célula usada para teste da performance de uma célula de 2 V de chumbo ácido regulada por válvula (VRLA) contendo folhas não tecidas de fibra de carbono compreendendo um material de capacitor;

a figura 18 é um gráfico que mostra um perfil de ciclo de carregamento e descarregamento de 42 V para teste da performance da célula da figura 17;

a figura 19 é um gráfico que mostra as mudanças na voltagem de célula e na capacidade para este da célula,

conforme pela figura 17;

, a figura 20 mostra um aparelho e um processo de acordo com uma modalidade da invenção para a fabricação de uma | camada compósita compreendendo uma manta eletricamente condutiva revestida com um material eletroativo de taxa alta; e a figura 21 mostra um aparelho e um processo de acordo com uma modalidade da invenção para a fabricação de um eletrodo de lado duplo com uma camada compósita aplicada a cada lado do mesmo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS ABREVIAÇÕES Nos Exemplos, uma referência será feita às abreviações a seguir, em que: APP Aplicativos [e Celsius Cl Classe [| Concentração F Fahrenheit h Hora HRPSoC Estado de carga parcial de taxa alta Mn Peso molecular de número médio Mw Peso molecular de peso médio MW Peso molecular PSoC Condições parciais de estado de carga RH Umidade relativa SG Peso específico ou densidade relativa com respeito à água SEM Microscopia de varredura com elétrons Wt% Percentagem em peso de componente específico em composição xXPS Espectroscopia de fotoelétron de raios X

' DESCRIÇÃO DETALHADA Em uma tentativa para identificar materiais / alternativos e arranjos em eletrodos para baterias de performance melhorada, foi descoberto, agora, que uma manta E 5 eletricamente condutiva usada com eletrodos compreendendo uma combinação de dois materiais eletroativos diferentes, em que um dos materiais eletroativos tem uma densidade de energia mais alta e uma capacidade de taxa mais baixa do que o outro material eletroativo, pode prover vantagens em particular incluindo uma vida de ciclo melhorada. As modalidades em particular não limitantes da presente invenção são descritas abaixo.

O eletrodo da presente invenção compreende um primeiro material eletroativo e um segundo material eletroativo, em que o primeiro material eletroativo tem uma densidade de energia mais alta do que o segundo material eletroativo e o segundo material eletroativo tem uma capacidade de taxa mais alta do que o primeiro material eletroativo. Por conveniência, o material eletroativo tendo a densidade de energia mais alta (o primeiro material eletroativo) é referido abaixo como o “material eletroativo de energia alta” e o material eletroativo tendo a capacidade de taxa mais alta (o segundo material eletroativo) é referido abaixo como o “material eletroativo de taxa alta”.

A presente invenção geralmente se refere a um eletrodo para um dispositivo de armazenamento elétrico de energia alta de taxa alta compreendendo um coletor de corrente, um material eletroativo de energia alta, um material eletroativo de taxa alta e uma manta eletricamente condutiva para a provisão de um suporte estrutural e | e E E a

: condutivo para pelo menos um dos materiais eletroativos de taxa alta e de energia alta. Os eletrodos do primeiro - aspecto conforme descrito aqui podem ser usados em dispositivos de armazenamento elétricos de taxa alta de energia alta. Termos Gerais O termo “taxa alta” geralmente se refere à capacidade de um dispositivo ou material de prover uma taxa alta ou uma corrente alta de descarga Ou recarga elétrica, o que é facilitado pelo dispositivo ou material tendo uma resistência interna baixa e uma área superficial alta. Uma taxa alta de descarga seria bem conhecida para ser provida por materiais de eletrodo de capacitor convencionais capazes de armazenarem energia de forma capacitiva, tal como carbono de área superficial alta.

O termo “energia alta” geralmente se refere à capacidade de um dispositivo ou material de prover uma quantidade alta de descarga ou recarga elétrica, mas a uma taxa baixa. Um material de energia alta seria considerado como sendo provido por um material de eletrodo de bateria convencional capaz de armazenar energia de forma eletroquímica, tal como uma pasta de chumbo usada em baterias de chumbo ácido.

O termo “eletroativo”, “material de eletrodo ativo” ou um termo similar refere-se à capacidade de um material de receber, armazenar ou prover uma fonte de carga elétrica, e inclui materiais de eletrodo de capacitor capazes de armazenarem energia de forma capacitiva, e materiais de eletrodo de bateria capazes de armazenarem energia de forma eletroquímica.

y Outros termos em particular foram descritos abaixo, onde eles são descritos mais apropriadamente com referência às modalidades em particular. Estrutura de Eletrodo Os eletrodos geralmente compreendem um coletor de corrente (tipicamente uma grade ou placa) com um material de eletrodo ativo aplicado a ele. O material de eletrodo ativo é mais comumente aplicado em uma forma de pasta em uma região do coletor de corrente. A pasta pode conter aditivos ou outros materiais além do material de eletrodo ativo.

O eletrodo pode ser de qualquer formato adequado, embora tipicamente seja na forma de uma placa plana (grade) ou uma placa enrolada em espiral para células prismáticas ou enroladas em espiral. Por simplicidade de projeto, placas ou grades planas geralmente são preferidas. Os coletores de corrente usualmente proveem a estrutura de base de um eletrodo, e tipicamente são formados a partir de metais eletricamente condutivos, por exemplo, uma liga de chumbo é usada tipicamente como um coletor de corrente em baterias de chumbo ácido. Mais ainda, os materiais usados para o coletor de corrente devem ser estáveis no ambiente de eletrólito.

Conforme descrito acima, a presente invenção geralmente provê um eletrodo para um dispositivo de armazenamento elétrico de energia alta de taxa alta compreendendo: um coletor de corrente, um material eletroativo de energia alta, um material eletroativo de taxa alta e uma manta eletricamente condutiva que provê um suporte estrutural e mecânico eletricamente condutivo para

! o material eletroativo de taxa alta ou de energia alta.

Cada um dentre o material eletroativo de energia alta, - o material eletroativo de taxa alta e a manta eletricamente condutiva pode ser provido no coletor de corrente, ou em cada outro, como um revestimento, uma camada ou região, e em qualquer ordem ou arranjo, e pode ser disposto com outros materiais ou camadas.

Vários arranjos e modalidades do eletrodo são descritos, conforme se segue.

Os primeiro e segundo materiais eletroativos podem ser intermisturados em um ou mais revestimentos, camadas ou regiões, opcionalmente com um ou mais outros aditivos.

O primeiro material eletroativo também pode ser separado do segundo material eletroativo em quaisquer um ou mais revestimentos, camadas ou regiões.

Em uma modalidade, o eletrodo tem primeira e segunda regiões discretas, onde Oo material eletroativo de energia alta é disposto em uma ou mais primeiras regiões e oO material eletroativo de taxa alta é disposto em uma ou mais segundas regiões.

As primeiras e segundas regiões podem ser adjacentes, espaçadas, sobrepostas ou em camadas umas sobre as outras.

As regiões podem ser providas no coletor de corrente e/ou na manta eletricamente condutiva, com a manta disposta para suporte de qualquer uma das regiões.

A manta eletricamente condutiva facilita lidar com um desfolhamento dos materiais eletroativos do eletrodo durante um uso.

Em um outro exemplo, a manta eletricamente condutiva pode ser disposta como uma camada sobre o coletor de corrente com as primeiras e segundas regiões localizadas em uma superfície da manta eletricamente condutiva.

Em uma outra modalidade, um dos materiais eletroativos Íi | =. et

' de energia alta e de taxa alta pode ser provido como uma primeira camada discreta depositada sobre o coletor de o corrente, e o outro dos materiais eletroativos de energia alta e de taxa alta então pode ser provido como uma segunda camada discreta depositada sobre a primeira camada discreta, onde a manta eletricamente condutiva é uma terceira camada discreta em contato com a segunda camada discreta. Em uma modalidade alternativa, o material eletroativo de energia alta pode ser provido como uma primeira camada discreta depositada no coletor de corrente, e a manta eletricamente condutiva pode ser provida como uma segunda camada discreta em contato com a primeira camada discreta, e o material eletroativo de taxa alta provido como uma terceira camada discreta depositada sobre a segunda camada discreta.

O material eletroativo de taxa alta e/ou de energia alta pode ser depositado sobre e/ou incorporado na manta eletricamente condutiva para a formação de uma camada compósita. Em uma modalidade, o eletrodo compreende uma camada compósita compreendendo a manta eletricamente condutiva revestida com pelo menos um dos materiais eletroativos de taxa alta e de energia alta e, preferencialmente, pelo menos com o material eletroativo de taxa alta. Com respeito à fabricação de um eletrodo ou um dispositivo contendo o eletrodo, as camadas compósitas podem ser pré-fabricadas e armazenadas e, então, montadas no eletrodo ou dispositivo no momento apropriado, o que provê certas eficiências na fabricação desses eletrodos e dispositivos. Por exemplo, uma camada compósita pode ser aplicada, simultaneamente, a cada lado de um eletrodo de

' lado duplo, para a provisão de uma fabricação eficiente do eletrodo.

À Em uma Outra modalidade, a manta eletricamente condutiva é provida como uma camada interveniente separando o material eletroativo de energia alta do material eletroativo de taxa alta.

A camada interveniente pode ser provida como uma camada discreta.

A porosidade da manta eletricamente condutiva também pode ser selecionada para se evitar que o material eletroativo de taxa alta permeie através da manta eletricamente condutiva.

A porosidade selecionada dependerá da natureza do dispositivo e do ambiente segundo o qual se pretende que o dispositivo opere.

Por exemplo, o material de taxa alta pode ser depositado sobre um lado da manta eletricamente condutiva e O material eletroativo de energia alta depositado no lado oposto da manta eletricamente condutiva, com a porosidade da manta eletricamente condutiva selecionada para manutenção da separação dos materiais eletroativos de taxa alta e de energia alta.

Os arranjos acima se aplicam para a formação dos eletrodos de bateria negativos e positivos.

Materiais Eletroativos O “material eletroativo de energia alta” tem uma densidade de energia mais alta do que o “material eletroativo de taxa alta”, e o “material eletroativo de taxa alta” tem uma capacidade de taxa mais alta do que O “material eletroativo de energia alta”. Será apreciado que os valores absolutos de taxa ou energia para estes materiais dependerão de vários fatores, incluindo as quantidades e o tipo de material, e os ambientes e as | l ' e

, configurações nos quais estes materiais são empregados.

O “material eletroativo de energia alta” pode ser | qualquer material convencionalmente usado em eletrodos de bateria para a provisão de densidade de energia alta.

Estes materiais tipicamente proveen uma saída de energia sustentada, mas de uma taxa ou potência mais baixa em comparação com um material de taxa alta.

Os exemplos de alguns materiais de energia alta comuns que foram usados para anodos em baterias aquosas recarregáveis incluem cádmio, hidretos de metal, chumbo e zinco, enquanto esses materiais para catodos foram fabricados a partir de óxido de níquel, óxido de chumbo, prata e oxigênio ou ar (com catalisador). Os exemplos de materiais de anodo de energia alta para baterias recarregáveis de íon de Li incluem carbono (intercalação com Li), WO;z, e TiS,, e SnO,, com os materiais de catodo correspondentes incluindo LiNiyOz, LiCoO,, LiMNnsO,, LixTiVO:z, E LiVçO13, E onde x, y E z variam entre 0,1 e 10. Outros materiais de energia alta incluem La, Li, Na, Al, Fe, Zn, Cd, Pb, Sn, Bi, C, V, Mn, Co, Ni, Ag e seus óxidos, hidróxidos, hidretos, carburetos, nitretos ou sulfetos, carbono, polianilina, politiofeno, polifluorofeniltiofeno, polipirrol, polímeros dopados n ou p, polímeros de oxirredução, e misturas dos mesmos.

Por exemplo, os dispositivos de armazenamento elétricos podem compreender sistemas à base de íon de lítio, metal de lítio, hidreto de metal de lítio, hidreto de metal de níquel, níquel e zinco, e dispositivos ou sistemas de eletrodo à base de níquel e prata.

Em uma modalidade, o material eletroativo de energia alta é um material à base de chumbo, por exemplo, para uma | — arara

. bateria de tipo de chumbo ácido, um chumbo esponjoso para uso como um material de eletrodo negativo e um dióxido de Fá chumbo para uso como um material de eletrodo positivo. i O “material eletroativo de taxa alta” pode ser qualquer material de taxa alta (ou de potência alta) que geralmente exiba as características de capacitor. Esses materiais são bem conhecidos na técnica. Estes materiais tipicamente proveem uma saída inicial de taxa alta ou de potência alta de uma duração curta, mas têm uma densidade de energia mais baixa, em comparação com um material de energia alta. Os exemplos de alguns materiais de taxa alta que foram usados em capacitores incluem carbono de área superficial alta, óxido de rutênio, óxido de prata, óxido de cobalto e polímeros de condução (tais como polianilina, politiofeno, polifluorofeniltiofeno, polímeros dopados n ou Pp, polímeros de oxirredução, ou polipirrol). Os exemplos de materiais de carbono de área superficial alta são carbono ativado, negro de carbono, carbono amorfo, nanopartículas de carbono, nanotubos de carbono, fibras de carbono ou uma mistura dos mesmos. Outros materiais de taxa alta incluem C, Nb, H£, Ti, Ta, Li, Fe, Zn, Sn, Ru, Ag, Pt, Ir, Pb, Mo, W, Ni, Co e seus óxidos, hidróxidos, hidretos, carburetos, nitretos ou sulfetos, e misturas dos mesmos.

O material eletroativo de energia alta e O material eletroativo de taxa alta tipicamente são providos como regiões, camadas ou revestimentos sobre o eletrodo. O material eletroativo pode ser aplicado a ou revestido sobre um coletor de corrente, uma manta eletricamente condutiva ou um ou mais outros componentes dos eletrodos, por exemplo, como uma pasta com um aglutinante ou agentes de

. aglutinação, tais como carboximetilcelulose, neoprene, borracha de estireno butadieno, politetrafluoroetileno - (PTFE) Ou fluoreto de polivinilideno (PDVF) / kynar e combinações dos mesmos, e, opcionalmente, com um Ou mais Í 5 outros aditivos incluindo materiais de condução, tais como negro de carbono, fibras de plástico ou de carbono, espessantes ou agentes de formação de poro.

O material eletroativo de energia alta pode ser revestido sobre um coletor de corrente, uma manta eletricamente condutiva Ou um ou mais outros componentes do eletrodo, sem a necessidade de um aglutinante ou agente(s) de aglutinação.

A pasta para aplicação do material eletroativo de taxa alta sobre um ou mais componentes dos eletrodos frequentemente compreende outros materiais para a obtenção de um equilíbrio apropriado entre a área superficial (e, assim, a capacitância) e a condutividade.

Atualmente, por razões de custo, o carbono ativado é a fonte mais apropriada do material eletroativo de taxa alta.

Um material de carbono ativado adequado pode ter uma área superficial de pelo menos 500 mº/g, por exemplo, na faixa de em torno de 1000 e 3500 mº/g.

Um material de negro de carbono adequado pode compreender uma área superficial entre 20 e 1000 mº/g.

Os materiais eletroativos podem ser usados em combinação com um ou mais aditivos.

Um aditivo pode incluir um aglutinante ou agentes de aglutinação, espessantes, fibras, materiais de condução e agentes de formação de poro.

Os aditivos podem ser providos em uma mistura Ou pasta compreendendo o material eletroativo para a formação de parte de uma região, um revestimento ou camada, €

" melhorar a performance do eletrodo. Um agente de formação de poro pode ser selecionado a / partir de um ou mais do grupo de pó de zinco, pó de cânfora, pó de naftaleno e pó de alumínio. O agente de formação de poro aumenta a porosidade de uma região, revestimento ou camada compreendendo o material eletroativo, e facilita o suprimento de eletrólito para a superfície de um eletrodo para melhoria da descarga de taxa alta.

O material de condução provê uma quantidade suficiente de condutividade elétrica para a região revestimento ou camada, e pode incluir negro de carbono ou outros materiais de condução. O material de condução pode ser provido em pelo menos 5% em peso da região, revestimento, camada, mistura ou pasta, por exemplo, em uma faixa de 10 a 60% em peso.

O aglutinante ou agente de aglutinação é útil para a melhoria da aglutinação dos materiais em conjunto e na superfície de um coletor de corrente, eletrodo ou manta eletricamente condutiva. O aglutinante também pode prover uma interconexão elétrica entre materiais, regiões, camadas, revestimentos ou componentes de eletrodo, e facilita a manutenção de um grau suficiente de porosidade, quando os materiais são secos. Um aglutinante ou agente de aglutinação pode incluir policloropreno, borracha de i estireno - butadieno (SBR), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoreto de polivinilideno (PVDF). Um aglutinante pode ser provido em uma faixa de 1 a 20% em peso na região, revestimento ou camada, por exemplo, em uma faixa de 5 a 15% em peso.

- erraram

. Um espessante, o qual também pode ser referido como um aglutinante ou agente de aglutinação, é útil para a - preparação de uma mistura de materiais na forma de pasta. Para a pasta aquosa, derivados de celulose, tais como f 5 carboximetilcelulose (CMC) e metil celulose (MC), sais de ácido poliacrílico, álcool polivinílico e similares são adequados, e para a pasta orgânica, NMP (N-metil-2- pirrolidona, 1-metil-2-pirrolidona), sulfóxido de dimetila (DMSO) e similares são adequados. Os espessantes podem ser providos de forma tal que o resíduo seco não exceda a 10% em peso para manutenção de uma quantidade suficiente de condutividade elétrica, por exemplo, em uma faixa de 1 a 6% em peso na região, revestimento ou camada. As fibras podem incluir fibras de plástico, vidro ou carbono. As fibras podem prover um material de reforço e melhorar a permeabilidade de gás produzido no eletrodo durante uma operação. As fibras de plástico incluem resina de poliéster, tal como tereftalato de polietileno (PET) ou similares. As fibras tipicamente são curtas, por exemplo, em uma faixa de 1 a 30 pum de espessura e de 0,05 a 4,0 mm de comprimento. As fibras podem ser providas em uma quantidade de menos de em torno de 15%, por exemplo, na faixa de 4 a 12% em peso. Uma mistura adequada destes materiais pode compreender entre 0 e 80% de negro de carbono, 15 e 95% de carbono ativado, 0 e 10% de fibras de plástico e/ou de carbono, € O saldo aglutinante a um nível entre 5 e 25%. Todas as medições são em peso, a menos que especificado de outra forma. Será apreciado nas modalidades acima e abaixo que O negro de carbono pode ser substituído por outros materiais

E

B de condução ou misturas de materiais de condução, e carbono ativado pode ser substituído por outros materiais de taxa / alta ou misturas de materiais de taxa alta.

A menos que indicado de outra forma, estas misturas podem ser usadas para eletrodos negativos ou positivos, embora vantagens adicionais possam existir quando usadas para eletrodos específicos e configurações em tipos particulares de sistemas de bateria.

Uma outra mistura adequada pode compreender carbono ativado a 1 a 95% (como o material de taxa alta), um aglutinante a 5 a 20% (por exemplo, neoprene e/ou carboximetilcelulose), negro de carbono a 0 a 80%, e fibras de plástico e/ou de carbono a O a 5%. As vantagens são providas por modalidades em que oO material eletroativo de taxa alta é disperso sobre ou dentro ou está em contato com (por exemplo, por deposição em camadas ou revestimento) um material ou componente condutivo, tal como negro de carbono ou a manta eletricamente condutiva.

Para modalidades em particular em que o material eletroativo de taxa alta está em contato com a manta eletricamente condutiva, a quantidade de material condutivo usado (por exemplo, negro de carbono) na mistura pode ser reduzida ou omitida.

Por exemplo, uma pasta compreendendo um material eletroativo de taxa alta, um agente de aglutinação e um material de condução, o que seria adequado para aplicação a uma manta eletricamente condutiva, pode compreender menos de 30% em peso, menos de 20% em peso, menos de 10% em peso ou menos de 5% em peso de material de condução.

Os agentes de aglutinação e espessamento podem ser providos na faixa de 5 a25%. A pasta também pode compreender mais de 60% em peso,

=. e

. mais de 70% em peso, mais de 80% em peso ou mais de 90% em peso de material eletroativo de taxa alta. Os materiais ã condutivos, tal como negro de carbono, tipicamente incluem i impurezas que podem causar problemas de gaseificação em certos sistemas de bateria. A manta eletricamente condutiva nestas modalidades, portanto, pode prover propriedades condutivas a uma região do material eletroativo de taxa alta, além de propriedades de suporte estrutural e mecânico. Será apreciado que, em modalidades em que o material eletroativo de taxa alta é separado da manta eletricamente condutiva, então, um material condutivo, tal como negro de carbono, pode ser usado em uma mistura com adição com um material eletroativo de taxa alta para melhoria da performance.

Em uma modalidade, Oo material eletroativo de taxa alta é carbono ativado, preferencialmente tendo uma área superficial entre em torno de 1000 e 3500 mº/g. O carbono ativado pode ser preparado na forma de uma pasta pelo uso de um aglutinante ou espessante, por exemplo, uma mistura de neoprene e/ou carboximetilcelulose em uma quantidade entre 5 e 20%. A pasta pode compreender de 80 a 95% de carbono ativado e 15% de aglutinante. Conforme mencionado acima, estas modalidades podem prover vantagens adicionais para configurações de eletrodo em que oO material eletroativo de taxa alta está em contato com a manta eletricamente condutiva (por exemplo, uma região, um revestimento ou camada do material eletroativo de taxa alta provido sobre a manta eletricamente condutiva). Em uma outra modalidade, a pasta compreende: carbono ativado em uma faixa entre em torno de 20 a 50% em peso; | | S

B negro de carbono em uma faixa entre em torno de 30 a 60% em peso; e aglutinante em uma faixa entre em torno de 5 a 25% - em peso.

Por exemplo, a pasta pode compreender: carbono ativado de em torno de 35% em peso; negro de carbono de em torno de 45% em peso; e aglutinante de em torno de 10% em peso, e o restante compreendendo um ou mais outros aditivos.

Em uma modalidade, a pasta pode compreender 35% de carbono ativado, 45% de negro de carbono, 15% de aglutinante e partículas de fibra de plástico / carbono a 5%. Conforme mencionado acima, estas modalidades podem prover vantagens adicionais para configurações de eletrodo em que o material eletroativo de taxa alta não está em contato com a manta eletricamente condutiva.

Tipicamente, a relação de material eletroativo de taxa alta para material eletroativo de energia alta usados em um único eletrodo está na faixa de em torno de 3:17 a 1:19, respectivamente, em uma base em peso.

Por exemplo, em torno de 10 g de material eletroativo de taxa alta podem ser usados como uma camada sobre um eletrodo previamente revestido com 100 g de material eletroativo de energia alta.

Manta Eletricamente Condutiva A manta eletricamente condutiva pode compreender qualquer material que tenha um alto grau de condutividade elétrica, e, consequentemente, uma resistência interna baixa, Oo que é capaz de prover suporte físico ou mecânico para o material eletroativo de taxa alta ou de energia alta sobre o eletrodo.

A manta eletricamente condutiva provê suporte para os materiais eletroativos de taxa alta e/ou de energia alta, facilitando evitar o desfolhamento destes

. materiais do eletrodo durante um carregamento e um descarregamento do dispositivo de armazenamento elétrico. A - manta eletricamente condutiva tipicamente é estável no ambiente de eletrólito desejado. A manta eletricamente condutiva serve como um coletor de corrente (por exemplo, aumentando a condutividade) e provê um suporte físico para o material eletroativo (por “exemplo, aumentando a resistência mecânica). A manta eletricamente condutiva pode ser porosa e pode compreender uma rede de fibras eletricamente condutivas interconectadas, por exemplo, uma folha não tecida de fibra de carbono. A manta eletricamente condutiva pode ser tecida ou não tecida.

A manta eletricamente condutiva pode prover suporte para o primeiro material eletroativo, o segundo material eletroativo ou ambos os materiais eletroativos.

A manta eletricamente condutiva provê uma camada de suporte que pode ser associada ao material eletroativo de taxa alta e/ou de energia alta por qualquer adesão, afixação, afixação removível ou não afixação. Outras camadas intervenientes também podem ser associadas à manta eletricamente condutiva, ao material eletroativo de taxa alta ou de energia alta por meio de adesão, afixação, afixação removível ou não afixação. A manta eletricamente condutiva tipicamente é semirrígida ou rígida, e pode ser na forma de um filme, uma membrana, matriz ou folha. A manta eletricamente condutiva pode compreender uma folha ou camada compreendendo uma rede de fibras eletricamente condutivas interconectadas dispostas ali, por exemplo, fibras de carbono mantidas em uma folha de suporte.

Dependendo do uso pretendido, a manta eletricamente

W condutiva pode ser selecionada a partir de materiais que limitam a formação de gás durante um carregamento e um ó descarregamento de taxa alta de um dispositivo de Í armazenamento elétrico.

i 5 Um exemplo de uma manta eletricamente condutiva inclui uma camada formada a partir de um material de fibra de carbono, tal como uma folha não tecida de fibra de carbono. Outros exemplos de uma manta eletricamente condutiva podem incluir redes interconectadas formadas a partir de materiais incluindo cerâmicas de condução, fibras de vidro de condução e plásticos de condução. Será apreciado que a manta eletricamente condutiva pode compreender um grau de porosidade para se permitir uma permeabilidade adequada para um eletrólito líquido. Por exemplo, uma porosidade adequada pode ser na faixa de 40 a 80%.

Um exemplo específico de uma manta eletricamente condutiva adequada seria uma folha não tecida de fibra de carbono tendo as propriedades a seguir: * Peso básico: 10 - 70 g/m? e Espessura: 0,06 - 0,55 mm e Tração MD: 0,91- 4,3 kN/m * Tração CD: 0,52 - 4,3 kN/m e Resistividade superficial: 3 - 10 DC 2/m? Em uma modalidade, a manta eletricamente condutiva é uma folha de fibra de carbono, a qual preferencialmente é uma folha não tecida fina provendo uma estrutura parcialmente ordenada assegurando boa condutância de elétron ao longo das fibras, e uma fixação espacial quase estacionária das fibras, assegurando um bom contato entre elas. Como com outros materiais de carbono, a folha tem | AE E a o a a aa a as o o o o

' 29 baixa resistência interna, Oo que é uma característica ideal requerida para uso em combinação com um capacitor de taxa alta e materiais eletroquímicos de energia alta. O inventor descobriu que, em eletrodos compreendendo um material de energia alta e um material de taxa alta, Oo material de taxa alta pode ser parcialmente desfolhado durante ciclos. O inventor descobriu, ainda, que este desfolhamento pode ser reduzido ou evitado pelo uso de uma manta eletricamente condutiva para a provisão de suporte estrutural a para o material de taxa alta.

Em algumas modalidades, oO material de taxa alta e/ou de energia alta é depositado sobre e incorporado na manta eletricamente condutiva. Neste arranjo, a manta eletricamente condutiva facilita evitar um desfolhamento dos materiais de taxa alta e/ou de energia alta do eletrodo durante um carregamento e um descarregamento de taxa alta do dispositivo de armazenamento elétrico, por exemplo, na formação de gaseificação em baterias de chumbo ácido.

Em uma outra modalidade, a manta eletricamente condutiva pode prover suporte para uma camada discreta Ou região dos materiais eletroativos de taxa alta e/ou de energia alta, e, preferencialmente, tem pelo menos uma camada discreta ou região do material eletroativo de taxa alta.

Em uma outra modalidade, pelo menos uma região do interior e/ou uma superfície da manta eletricamente condutiva compreende o material eletroativo de taxa alta e/ou de energia alta. A manta eletricamente condutiva pode ser selecionada para compreender um grau de porosidade de modo que qualquer material aplicado a um lado da manta não | É

' possa permear ou se mover através dali para o lado oposto da manta.

Í O material eletroativo de taxa alta e/ou de energia alta pode ser depositado sobre e/ou incorporado na manta eletricamente condutiva para a formação de uma camada compósita. Em modalidades como essas, a manta eletricamente condutiva, através da fabricação de camadas compósitas, permite um processo eficiente na fabricação de dispositivos de armazenamento elétricos. Por exemplo, as camadas compósitas podem ser pré-fabricadas e armazenadas e, então, montadas em um eletrodo ou dispositivo no momento apropriado. O uso de uma manta eletricamente condutiva na forma de uma folha não tecida de fibra de carbono em um dispositivo de armazenamento elétrico foi mostrado para permitir um número de ciclo máximo (tipicamente entre em torno de 6000 e 8000 ciclos) a ser atingido em forças de compressão mais baixas em comparação com aquele para eletrodos convencionais ou eletrodos híbridos / compósitos não tendo uma manta eletricamente condutiva, por exemplo, menos do que 70 kPa, em oposição a acima de 80 kPa. Em uma modalidade, a manta eletricamente condutiva é usada em um eletrodo híbrido ou compósito (isto é, eletrodos compreendendo um material de capacitor de taxa alta e um material de bateria de energia alta), onde os dispositivos de armazenamento elétricos operam sob uma força de compressão de menos de em torno de 70 kPa, menos do que em torno de 60 kPa e, preferencialmente, entre em torno de 30 í e 60 kPa. Será apreciado que as forças de compressão fora | 30 destas faixas ainda podem ser empregadas. = rr

B Dispositivos de Armazenamento Elétricos O dispositivo de armazenamento elétrico inclui pelo Í menos um aproximadamente de eletrodos positivo e negativo, em que pelo menos um eletrodo é um eletrodo de acordo com o Í 5 primeiro aspecto descrito aqui.

O dispositivo de armazenamento elétrico, por exemplo, uma bateria de chumbo ácido, tipicamente é montado com um anodo e um catodo (ou um eletrodo negativo e um positivo). Em relação a baterias de chumbo ácido, o dispositivo tipicamente compreenderia pelo menos um eletrodo positivo à base de dióxido de chumbo, um separador não condutivo poroso e pelo menos um eletrodo negativo à base de chumbo esponjoso “acoplados em conjunto em uma solução de eletrólito compreendendo ácido sulfúrico. O dispositivo de armazenamento elétrico pode ser um dispositivo regulado por válvula.

Os materiais de taxa alta e de energia alta podem ser depositados sobre o coletor de corrente de várias formas, por exemplo, em camadas sobrepostas (as quais podem ou não compreender uma camada interveniente, por exemplo, uma manta eletricamente condutiva), camadas adjacentes Ou intermisturadas com cada outra, ou como um material revestindo partículas do outro material para a formação de uma mistura depositada sobre o coletor de corrente. A manta eletricamente condutiva é disposta par prover um suporte À físico e/ou mecânico para os materiais de taxa alta e/ou de energia alta. Vantajosamente, a manta eletricamente condutiva pode permitir que uma camada substancialmente uniforme de material eletroativo de taxa alta e/ou de energia alta seja depositada sobre ela e/ou incorporada — rear aee

' ali, e pode facilitar uma fabricação eficiente desses eletrodos. N o dispositivo de armazenamento elétrico pode compreender um ou mais dentre um eletrodo negativo, um eletrodo positivo, ou um par de eletrodos positivo e negativo, conforme descrito aqui. A faixa de potencial eletroquímico ativo dos materiais eletroativos de energia alta e de taxa alta em um dado eletrodo deve se sobrepor à faixa de operação desejada inteira daquele eletrodo. Os materiais eletroativos de energia alta e de taxa alta também devem ter acesso a um eletrólito, o qual pode suprir contra-íons e completar o circuito elétrico na célula de armazenamento de energia. Uma compatibilidade química também deve ser considerada, por exemplo, se os dois materiais compartilharem um eletrólito comum, ambos deverão ser estáveis naquele eletrólito.

Os materiais eletroativos de taxa alta e de energia alta tipicamente são dispostos no mesmo coletor de corrente, de modo que eles estejam em contato elétrico. Os exemplos desse arranjo incluem: de lado duplo, dispersos, em camada, lado a lado e pós revestidos. A provisão de fases distintas de materiais diferentes permite uma melhor previsibilidade na performance do eletrodo. Outros exemplos incluem regiões que estão lado a lado em um plano único, tais como regiões entrelaçadas dos dois materiais em um formato de tabuleiro de xadrez de formatos equivalentes ou tiras alternadas de cada material.

O eletrodo negativo do dispositivo de armazenamento elétrico pode compreender um material eletroativo de energia alta selecionado a partir de um ou mais do grupo |

Ú que consiste em cádmio, hidretos de metal, chumbo e zinco. Em uma modalidade, o material eletroativo de energia alta é - chumbo. O eletrodo positivo do dispositivo de armazenamento elétrico pode compreender um material eletroativo de energia alta selecionado a partir de um ou mais do grupo que consiste em óxido de níquel, óxido de chumbo e prata. Em uma modalidade, o material eletroativo de energia alta é dióxido de chumbo.

Em uma modalidade, o eletrodo positivo é um eletrodo positivo de dióxido de chumbo e o eletrodo negativo é um eletrodo negativo de chumbo esponjoso. O eletrólito é preferencialmente “uma solução de eletrólito de ácido sulfúrico.

Em uma modalidade, o dispositivo de armazenamento elétrico compreende pelo menos um eletrodo positivo à base de dióxido de chumbo e pelo menos um eletrodo negativo à base de chumbo esponjoso em uma solução de eletrólito de ácido sulfúrico, em que o eletrodo negativo compreende: um coletor de corrente; uma primeira camada depositada sobre oO coletor de corrente; a primeira camada compreendendo chumbo esponjoso; uma segunda camada em contato com a primeira camada, a segunda camada compreendendo uma manta eletricamente condutiva compreendendo uma rede de fibras de carbono eletricamente condutivas interconectadas; uma terceira camada depositada sobre a segunda camada, a terceira camada compreendendo um segundo material eletroativo,

' em que o chumbo esponjoso tem uma densidade de energia mais alta do que o segundo material eletroativo, e o . segundo material eletroativo tem uma capacidade de taxa mais alta do que o chumbo esponjoso. O dispositivo de armazenamento elétrico tipicamente ainda compreende um separador não condutivo poroso separando pelo menos um eletrodo positivo à base de dióxido de chumbo e pelo menos um eletrodo negativo à base de chumbo esponjoso. Em algumas modalidades, a segunda camada separa as primeira e terceira camadas.

Os dispositivos de armazenamento elétricos podem ser na forma de sistemas não aquosos e aquosos. Os sistemas não aquosos são tipicamente à base de íon de lítio. Os sistemas aquosos podem ser ácidos, neutros ou básicos. Ambos os sistemas podem usar eletrólitos os quais são sólidos, líquidos ou géis e ambos os sistemas podem usar separadores convencionais embebidos com um eletrólito líquido apropriado. Os sistemas de eletrólito aquosos geralmente usam eletrólitos ácidos, neutros ou básicos, e podem incluir eletrólitos de íon misto.

Os materiais eletroativos de taxa alta e de energia alta podem ser fabricados no mesmo eletrodo usando-se um dos arranjos descritos acima. É importante notar que as quantidades “relativas ou carregamentos de materiais eletroativos de taxa alta e de energia alta afetarão a performance final do dispositivo de armazenamento elétrico.

Se a aplicação requerer uma potência de pico por tempos relativamente longos, então, o carregamento do material eletroativo de taxa alta deverá ser aumentado. Se uma duração de pulso for relativamente curta ou requerer menos rr EANES

' corrente o carregamento do material eletroativo de taxa alta poderá ser diminuído. : Também será apreciado que, em uma modalidade, a bateria pode compreender uma série alternada de eletrodos positivos e negativos, com um eletrólito em contato com os eletrodos, e um primeiro condutor para conexão direta dos eletrodos positivos, e um primeiro condutor para conexão direta dos eletrodos positivos e um segundo condutor para conexão direta dos eletrodos negativos, em que pelo menos um par de regiões dos eletrodos positivos e negativos adjacentes forma uma bateria (pelo armazenamento de energia como um potencial eletroquímico entre os distribuidores pares de eletrodo). As modalidades acima dos dispositivos de armazenamento elétricos podem reduzir ou evitar problemas de sulfação em dispositivos tendo esses problemas, por exemplo, baterias de chumbo ácido de alta performance operadas sob um estado de carga parcial de taxa alta. Em uma modalidade, é provido um uso dos dispositivos de armazenamento elétricos de acordo com as modalidades descritas acima sob condições parciais de estado de carga (PSoC) na faixa de em torno de 20 a 100% (por exemplo, típica para veículos elétricos), na faixa de 40 a 60% (por exemplo, típica para veículos elétricos híbridos), ou na faixa de em torno de 70 a 90% (por exemplo, típica para veículos elétricos híbridos moderados) . Eletrólito Será apreciado que diferentes sistemas de eletrólito usualmente serão requeridos para diferentes tipos de baterias e dispositivos de armazenamento elétricos. No caso

Í |

. de baterias de chumbo ácido, qualquer eletrólito ácido adequado pode ser usado.

O eletrólito pode ser na forma de : um líquido ou de um gel.

Para baterias de chumbo ácido, O eletrólito tipicamente é um eletrólito de ácido sulfúrico.

No caso de outros tipos de bateria, o eletrólito pode ser um eletrólito aquoso ou orgânico, incluindo álcalis, tais como potássio e outros hidróxidos, solventes orgânicos contendo íon de lítio, eletrólitos de polímero, eletrólitos de líquido iônico em estado líquido ou sólido e assim por diante.

Os eletrólitos adequados para os materiais escolhidos de eletrodo positivo e negativo de bateria podem ser selecionados rotineiramente por uma pessoa versada na técnica.

Barras Coletoras ou Condutores A barra coletora de uma bateria de chumbo ácido pode ser de qualquer construção adequada, e pode ser feita a partir de qualquer material condutivo adequado conhecido na técnica.

O termo “conectado a” usado no contexto de barras coletores se refere a uma conexão elétrica, embora um contato físico direto seja preferido.

No caso em que a bateria não é de uma configuração típica de bateria de chumbo ácido com barras coletoras, qualquer condutor pode ser usado, e a configuração e os materiais serão bem conhecidos na técnica.

Outros Recursos de Bateria | Geralmente, os componentes da bateria estarão contidos em um invólucro de bateria com outros recursos apropriados para o tipo de bateria empregado.

Por exemplo, no caso de baterias de chumbo ácido, a bateria de chumbo ácido pode ser de um projeto de eletrodo afogado ou de um projeto rr tFETTEEN CEEE EEEEENRSEPEUUAESEDEEEA SEER Era

. regulado por válvula. Quando a bateria de chumbo ácido é uma bateria de chumbo ácido regulada por válvula, a bateria - pode ser de qualquer projeto adequado, e pode conter, por exemplo, um eletrólito em gel. Os recursos específicos da unidade de bateria apropriados para esses projetos são bem conhecidos na técnica da invenção.

A pressão que pode ser aplicada à bateria de chumbo ácido pode estar na faixa de 5 a 20 kPa para um projeto de eletrólito afogado, e de 20 a 80 KPa para um projeto de bateria de chumbo ácido regulada por válvula. Separadores Geralmente, cada um dos eletrodos positivos e negativos é separado dos eletrodos adjacentes — por separadores porosos. Os separadores mantêm uma distância de separação apropriada entre eletrodos adjacentes. os separadores localizados entre eletrodos negativos à base de chumbo e eletrodos positivos à base de dióxido de chumbo imediatamente adjacentes podem ser feitos a partir de qualquer material poroso adequado comumente usado na técnica, tais como materiais de polímero porosos ou de microfibra de vidro de absorção (“AGM”). A distância de separação (correspondente a uma espessura de separador) geralmente é de 1 a 2,5 mm para estes separadores. Os materiais de polímero adequados úteis para a formação dos separadores entre os eletrodos positivos e negativos formando a parte de bateria são polietileno e AGM. OS separadores de polietileno têm adequadamente entre 1 e 1,5 milímetros de espessura, ao passo que os separadores de AGM têm apropriadamente entre 1,2 e 2,5 milímetros de espessura.

— renascer y No caso de separadores localizados entre o eletrodo positivo e o eletrodo negativo de capacitor, estes E adequadamente são muito mais finos do que os separadores da parte de bateria da bateria de chumbo ácido. i 5 Vantajosamente, os separadores têm entre 0,01 e 0,1 milímetros de espessura e, mais preferencialmente, entre 0,03 e 0,07 milímetros de espessura.

Estes separadores são feitos adequadamente de um material de polímero microporoso, tal como polipropileno microporoso.

Outros separadores são de AGM e a espessura deste tipo de separadores está entre 0,1 e 1 milímetro, e, preferencialmente, entre 0,1 e 0,5 milímetros.

Formação de Baterias de Chumbo Ácido Após a montagen dos componentes apropriados em conjunto em um invólucro de bateria, a bateria de chumbo ácido geralmente precisa ser formada.

A operação de formação é bem conhecida no campo.

É para ser entendido que as referências a materiais “à base de chumbo” e “à base de dióxido de chumbo” são usadas para referência a chumbo ou dióxido de chumbo em si, materiais contendo o metal / óxido de metal ou a materiais que sejam convertidos em chumbo ou óxido de chumbo, conforme for o caso, no dado eletrodo.

Conforme indicado pela linguagem usada acima, à bateria de chumbo ácido contém pelo menos um de cada tipo de eletrodo.

O número de células individuais (constituídas por uma placa negativa e uma positiva) na bateria depende da voltagem desejada de cada bateria.

Para uma bateria de 36 Volts apropriada para uso como uma bateria de veículo elétrico híbrido moderado (a qual pode ser carregada para até 42 Volts), isto envolveria o uso de 18 células. | — ra

' Arranjo de Eletrodo Geralmente, os eletrodos positivos e negativos são = intercalados, de modo que cada eletrodo positivo tenha um eletrodo negativo em um lado dele. Contudo, será apreciado À 5 que outros arranjos de eletrodo podem ser utilizados, dependendo da aplicação divisada.

Operação Um eletrodo compreendendo um material de capacitor de taxa alta terá uma resistência interna mais baixa do que um eletrodo compreendendo um material de bateria de energia alta apenas e, portanto, o eletrodo com o material de capacitor de taxa alta absorverá e liberará carga durante um carregamento de taxa alta (para frenagem regenerativa) ou durante uma descarga de taxa alta (aceleração de veículo e mudança de marcha do motor), perante um eletrodo compreendendo o material de bateria de energia alta apenas. Um eletrodo compreendendo um material de bateria de energia alta permite altas propriedades de performance e proverá a uma bateria de chumbo ácido uma vida significativamente mais longa. Os eletrodos compreendendo o material de bateria de energia alta e o material de capacitor de taxa alta proveem um projeto simples e efetivo que permite uma performance de taxa alta juntamente com as propriedades de energia alta comumente associadas a baterias de chumbo ácido.

Em relação a baterias de chumbo ácido, uma formação de sulfato de chumbo pode ocorrer em uma superfície de eletrodo durante um carregamento e um descarregamento de corrente alta da bateria, oO que, de acordo com uma | 30 modalidade da presente invenção, pode ser minimizado pelo — ra

. uso de um material eletroativo de taxa alta em combinação com uma manta eletricamente condutiva. fe Cada célula de bateria ou par de eletrodos pode prover uma voltagem de 2 Volts.

Uma bateria de chumbo ácido de uma modalidade adequada para uso na faia ampla de aplicações de bateria de veículo elétrico pode conter 8 eletrodos negativos e 9 eletrodos positivos, com 4 dos eletrodos negativos sendo eletrodos negativos à base de chumbo.

Variações neste arranjo e números relativos de eletrodos também são adequados, desde que haja um mínimo de um de cada eletrodo.

Aditivos em Particular para Eletrodos Se houver uma não combinação na janela potencial ou na faixa de operação potencial de um dos eletrodos, uma gaseificação de hidrogênio e/ou oxigênio poderá ocorrer.

Para suprimir uma gaseificação de hidrogênio, os eletrodos podem incluir um aditivo ou uma mistura de aditivo compreendendo um óxido, hidróxido ou sulfato de chumbo, zinco, cádmio, prata e bismuto, ou uma mistura dos mesmos.

Geralmente, é preferido que o aditivo inclua pelo menos um óxido, hidróxido ou sulfato de chumbo ou zinco.

Por conveniência, o aditivo é adequadamente um ou mais óxidos selecionados a partir de óxido de chumbo, óxido de zinco, óxido de cádmio, óxido de prata e óxido de bismuto.

Um eletrodo pode compreender o aditivo, além do material de capacitor de taxa alta e/ou do material de bateria de energia alta.

Devido a razões de toxicidade, os compostos de cádmio não são preferidos, e, portanto, a composição preferencialmente compreende um composto de chumbo e/ou um composto de zinco, e, opcionalmente, um composto de prata.

EEE ao p Por razões de custo, o óxido de prata e o óxido de bismuto ” usualmente seriam evitados. E Independentemente da forma na qual o aditivo é adicionado, em um contato com o eletrólito (por exemplo, ácido sulfúrico), o aditivo pode reagir e ser convertido em um outro composto de metal derivado do óxido de metal original, sulfato ou hidróxido. Referências aos óxidos, sulfatos e hidróxidos dos aditivos em questão são para serem lidos como envolvendo os produtos das reações entre os aditivos e o eletrólito. De modo similar, se durante o estado carregado ou descarregado do dispositivo de armazenamento elétrico, o aditivo for convertido em uma outra forma através de reações de oxirredução, as referências aos óxidos, sulfatos e hidróxidos serão para serem lidas como envolvendo os produtos das reações de oxirredução nestes aditivos.

Em uma modalidade, O aditivo compreende Pb,0; (“chumbo vermelho”); um óxido, hidróxido ou sulfato de antimônio; e, opcionalmente, um ou mais aditivos selecionados a partir de óxidos, hidróxidos e sulfatos de ferro e chumbo.

O composto de antimônio é benéfico na supressão de gaseificação (oxigênio) no eletrodo positivo. Contudo, se migrar para o eletrodo negativo, ele produzirá um efeito adverso sobre a gaseificação de hidrogênio naquele eletrodo. Na ausência de um agente para fixação do composto de antimônio ao eletrodo positivo, quando o composto de antimônio entra em contato com o eletrólito, ele pode se dissolver no eletrólito, e ser depositado sobre o eletrodo negativo, quando uma corrente for aplicada. O chumbo vermelho é usado para fixação ou prevenção da transferência Í == RR NA

: do antimônio para o eletrodo negativo. Os compostos (isto ; é, óxidos, sulfatos ou hidróxidos) de chumbo e ferro também " são vantajosos, e também podem ser usados na mistura aditiva.

Em cada caso, o aditivo é usado em uma quantidade para se evitar uma gaseificação de hidrogênio e oxigênio. Isto geralmente é uma quantidade que aumenta a janela potencial do eletrodo negativo e positivo de capacitor a partir dos típicos +0,9 V Ou +1,0 V a pelo menos +1,2 V, &e, preferencialmente, pelo menos +1,3 V. Em termos gerais, oO teor de óxido total pode estar entre 5 e 40% em peso, com base na composição de material ativo total (incluindo um material de taxa alta ou de energia alta), um aglutinante e qualquer outro componente na composição de pasta seca.

Um aditivo de eletrodo negativo pode compreender entre 0,1 e 40% em peso de composto de Pb (mais preferencialmente de 1 a 205), de 1 a 20% de composto de Zn (mais preferencialmente de 1 a 10%), de 0 a 5% em peso de composto de Cd e de 0 a 5% em peso de composto de Ag.

Preferencialmente, o total está na faixa de 5 a 40% em peso mencionada acima. O uso de aditivo de ZnO sozinho provê bons resultados, como o faz o PbO sozinho, ou uma mistura de PbO e Zno.

Um aditivo de eletrodo positivo pode compreender entre O e 30% em peso de Pb em forma de óxido, sulfato ou hidróxido, de a 1 10% em peso de Pb,0;, de 0 a 2% em peso de Fe em forma de óxido, sulfato ou hidróxido e de 0,05 a 1% em peso de Sb em forma de óxido, sulfato ou hidróxido. Preferencialmente, Sb é adicionado como um óxido.

Preferencialmente, o total está na faixa de 5 a 40% em peso rr

" mencionada acima.

Os aditivos para eletrodos para baterias de chumbo ácido podem ser providos conforme discutido acima para se evitar uma gaseificação de hidrogênio.

Aditivos podem ser À 5 incluídos para outros tipos de bateria, incluindo baterias recarregáveis de níquel, baterias recarregáveis de metal de lítio ou de íon de lítio, e assim por diante.

Os materiais de eletrodo positivo de tipo de bateria adequados podem incluir óxido de níquel, óxido de prata, óxido de manganês, materiais de polímero de lítio, óxidos de lítio mistos incluindo óxidos de níquel e lítio, óxidos de cobalto e lítio, óxidos de manganês e lítio e óxidos de vanádio e lítio e materiais de catodo de polímero condutivo de lítio.

Os materiais de eletrodo negativo de tipo de bateria adequados pode incluir zinco, cádmio, hidretos de metal, lítio em forma de metal ou de liga com outros metais, tais como alumínio e materiais de intercalação de íon de lítio.

Os detalhes e alternativas para estes materiais de eletrodo usados em vários tipos de bateria podem ser acumulados a partir de várias publicações na técnica da invenção.

Processo de Fabricação Um processo para fabricação de um eletrodo, conforme descrito aqui pode compreender a formação de uma camada compósita compreendendo pelo menos um dentre oO primeiro material eletroativo e o segundo material eletroativo e/ou incorporada na manta eletricamente condutiva; e o acoplamento da camada compósita ao coletor de corrente.

O coletor de corrente sendo acoplado pode incluir um depósito, uma camada ou um revestimento do primeiro material eletroativo, do segundo material eletroativo, are

" outros aditivos ou misturas de aditivos, outros materiais r de eletrodo ou combinações dos mesmos. O processo ainda * pode compreender a formação de um revestimento do primeiro material eletroativo sobre o coletor de corrente, e o acoplamento da camada compósita ao revestimento do primeiro material eletroativo no coletor de corrente.

O primeiro material eletroativo, O segundo material eletroativo e a manta eletricamente condutiva estão de acordo com várias modalidades para estes recursos, conforme descrito aqui. Uma camada compósita, tal como uma manta eletricamente condutiva revestida com um material de eletrodo de material eletroativo de taxa alta, pode ser formada em uma folha em camadas que permite que ela seja cortada para um tamanho predeterminado durante um processamento (figura 13).

Com respeito ao processamento e à fabricação de um eletrodo ou dispositivo, a manta eletricamente condutiva provê várias vantagens. Por exemplo, as camadas compósitas compreendendo a manta eletricamente condutiva pode ser pré- fabricada e armazenada, e, então, montada no eletrodo ou dispositivo no momento apropriado, o que provê certas eficiências na fabricação desses eletrodos e dispositivos. Por exemplo, uma camada compósita pode ser aplicada simultaneamente a cada lado de um eletrodo de lado duplo, paraa provisão de um processo de fabricação eficiente para um eletrodo como esse (figura 14).

Será apreciado por pessoas versadas na técnica que numerosas variações e/ou modificações podem ser feitas na invenção, conforme mostrado nas modalidades específicas, sem que se desvie do espírito ou do escopo da invenção,

. conforme amplamente descrito. Portanto, as presentes y modalidades são para serem consideradas em todos os ' aspectos como ilustrativas e não restritivas. É para ser entendido que, se qualquer publicação da técnica anterior for referida aqui, essa referência não constitui uma admissão que a publicação faz parte de um conhecimento geral comum na técnica, na Austrália ou em qualquer outro país.

Nas reivindicações que se seguem e na descrição precedente da invenção, exceto onde Oo contexto requerer de outra forma, devido a uma linguagem expressa ou a uma implicação necessária, a palavra “compreender” e variações, tais como “compreende” ou “incluindo” são usadas em um sentido inclusivo, isto é, para a especificação da presença dos recursos declarados, mas não para impedir a presença ou a adição de outros recursos em várias modalidades da invenção.

EXPERIMENTO

1. Preparação de Eletrodos Negativos e Positivos Um material eletroativo de energia alta para oO eletrodo negativo foi formado em uma pasta pela mistura de óxido com chumbo, negro de carbono, fibras de plástico, um expansor e uma solução de ácido sulfúrico. Isto então foi passado em pasta sobre uma grade de liga de chumbo tendo as dimensões a seguir: espessura: 1,7 mm, altura: 75 mm e largura: 75 mm.

O material eletroativo de energia alta para Oo eletrodo positivo foi formado em uma pasta pela mistura de óxido com chumbo, fibras de plástico, e uma solução de ácido sulfúrico, mas sem o expansor. Isto então foi passado em p pasta sobre o mesmo tipo de grades, conforme usado para os Y eletrodos negativos.

” Os eletrodos foram curados e secos e, então, montados em uma célula. O eletrodo negativo foi intercalado entre dois eletrodos positivos e separado com separadores de polímero. A célula então foi adicionada com 1,07 sg de ácido sulfúrico. Os eletrodos passaram por uma formação para a conversão do material eletroativo de energia alta do eletrodo positivo em dióxido de chumbo (Pbo0,) e do material eletroativo de energia alta do eletrodo negativo em chumbo esponjoso. Após a formação, os eletrodos então foram lavados com água e secos. As figuras la e lb mostram um processo em incrementos para a obtenção de dois tipos de arranjos em um eletrodo (112 e 114) envolvendo a aplicação de uma manta eletricamente condutiva e um material eletroativo de taxa alta a um coletor de corrente já revestido com um material eletroativo de energia alta. Conforme mostrado na figura la, um coletor de corrente (102) é revestido com um material de chumbo eletroativo de energia alta (104) para a provisão de um eletrodo negativo formado (106) (isto é, o coletor de corrente já compreendendo o material eletroativo de energia alta). Ambos os lados do eletrodo negativo formado (106) podem ser cobertos, cada um, com uma manta eletricamente condutiva na forma de uma folha não tecida de fibra de carbono (108). O material eletroativo de taxa alta (110) então pode ser passado em pasta sobre as folhas de fibra de carbono para a formação de um eletrodo compreendendo o material eletroativo de energia alta e de taxa alta (112) provendo uma capacidade de energia alta e

D de taxa alta, o que também pode ser referido geralmente . como um eletrodo “híbrido” ou “compósito”. O material eletroativo de taxa alta usado foi carbono ativado, o qual preferencialmente tem uma área superficial de em torno de 2000 mº/g e é preparado na forma de uma pasta pelo uso de neoprene e uma mistura de aglutinação de carboximetilcelulose. Por exemplo, um material de pasta de capacitor pode compreender 85% de carbono ativado e 15% de mistura de aglutinação. Um arranjo alternativo deste eletrodo híbrido é mostrado na figura 1b, onde o material de capacitor de taxa alta (110) pode ser inicialmente revestido sobre o eletrodo negativo formado (106) (isto é, um eletrodo já compreendendo um revestimento de material eletroativo de energia alta) e, então, convertido em uma folha de fibra de carbono (108). No presente arranjo, os coletores de corrente para os eletrodos foram formados a partir de grades de chumbo planas e, portanto, O processo acima aplicado a cada lado das grades planas. Os eletrodos compósitos então foram secos a 80 ºC por 1 h.

A composição de pasta para o material eletroativo de energia alta para o eletrodo negativo de chumbo compreendia lead oxide (1 kg), fibra 0,8 g, BaSO. 15,0 g, negro de carbono 12 gq, Vanisperse 3 g, H;SO, (1,36 dens.rel.) 86,6 ml, água 140 ml, relação de óxido para ácido de 5,5% e peso específico de pasta de 4,1 g/cmº. A composição de pasta para o eletrodo positivo de dióxido de chumbo compreendia óxido de chumbo 1 kg, fibra 0,8 g, H2SO. (1,360 dens.rel.) 120 ml, água 90 ml, relação de óxido para ácido de 5,4% e peso específico de pasta de 4,2 g/ml. O óxido de chumbo foi convertido em dióxido de chumbo e chumbo pelas técnicas de er formação para a formação do eletrodo negativo. Será . apreciado que Vanisperse e BaS0o, (conhecido como um is expansor) facilitam a porosidade e a dispersão de Pb e PbS0, ao prevenir um crescimento de partícula grande durante a operação.

O material eletroativo de taxa alta foi feito a partir de 45% em peso de negro de carbono com área superficial específica de 60 mº/g, 4% em peso de carboximetilcelulose, 11% em peso de neoprene, e 35% em peso de carbono ativado com área superficial específica de 1500 mº/g e 5% em peso de fibra de plástico.

Quatro tipos de célula foram preparados, onde cada célula tinha um arranjo diferente de eletrodo negativo de acordo com aquilo descrito na Tabela 1 abaixo.

Tabela 1: células de teste compreendendo eletrodos negativos diferentes placa 1 Composição de placa|Composição de placa negativa (controle) | positiva convencional | convencional compreendendo um compreendendo um | coletor de corrente de chumbo coletor de corrente de | revestido com material de chumbo revestido com| chumbo eletroativo de energia material de chumbo | alta (isto é, sem qualquer eletroativo de energia | revestimento de capacitor alta. eletroativo de taxa alta).

2 Como com a célula 1. Ambos os lados da placa negativa para a célula 1 revestidos com material de capacitor eletroativo de taxa alta.

. 3 Como com a célula 1. Ambos os lados da placa " negativa para a célula 2 cobertos com folhas não i tecidas de fibra de carbono.

4 Como com a célula 1. Ambos os lados da placa negativa para a célula 1 cobertos com folhas não tecidas de fibra de carbono e, então, revestidos com o material de capacitor eletroativo de taxa alta.

Portanto, a Célula 3 na Tabela 1 acima, portanto, compreende um eletrodo negativo formado de acordo com o arranjo do eletrodo (112) na figura la, e a Célula 4 na Tabela 1 acima compreende um eletrodo negativo formado de acordo com o arranjo do eletrodo (114) na figura 1b.

As figuras 2a e 2b reiteram o processo em incrementos para a obtenção de dois tipos de arranjos, conforme mostrado nas figuras la e lb, respectivamente, embora o processo em incrementos comece com um coletor de corrente formado a partir de uma grade de liga de chumbo (102). Os recursos conforme descrito acima para as figuras la e lb se aplicam respectivamente àqueles outros recursos providos nas figuras 2a e 2b.

Os eletrodos híbridos ou compósitos então são curados e secos. Os eletrodos negativos compósitos secos e as contrapartes positivas, em conjunto com o separador foram montados em um recipiente de célula e o recipiente de célula foi preenchido com uma solução de ácido sulfúrico.

J Uma dada corrente foi aplicada por um dado tempo para . conversão do óxido de chumbo, do sulfato de chumbo básico e " do sulfato de chumbo em dióxido de chumbo nos eletrodos positivos e chumbo esponjoso nos eletrodos negativos.

A manta eletricamente condutiva era uma folha de fibra de carbono (não tecida), o que era um produto comercial suprido por Hollingsworth and Vose, E.U.A., tendo as propriedades a seguir: * Peso básico: 10 g/m? * Espessura: 0,063 mm e Tração MD: 0,91 kN/m e Tração CD: 0,52 kN/m e Resistividade superficial: 6,5 DC 2/m? A folha de fibra de carbono usada preferencialmente é fina, com as duas vantagens em particular de provisão de uma estrutura ordenada assegurando boa condutância de elétron entre eles. Como com outros materiais de carbono, a folha tem baixa resistência interna, o que é uma característica ideal requerida para uso em um capacitor eletroquímico. A folha ajuda a manter a estrutura do material eletroativo de taxa alta o qual foi identificado como desfolhando parcialmente durante um ciclo, e isto pode ser reduzido ou impedido quando o material eletroativo de taxa alta for depositado sobre e/ou incorporado na folha de fibra de carbono.

2. Resultados de Performance de Configurações de Eletrodo de Células 1 a 4 A figura 3 mostra O aparelho experimental usado para teste da performance de Células 1 a 4 (Tabela 1). Os eletrodos negativos (302) foram cobertos com um separador

. de manta de polímero / vidro (304) e colocados entre dois Fr eletrodos positivos (306). OS dois eletrodos positivos | foram conectados por uma lingueta de chumbo puro (308). Os eletrodos em conjunto com os separadores foram então colocados em um saco plástico (não mostrado) e o conjunto inteiro foi colocado no recipiente de célula (310). Uma solução de ácido sulfúrico de 1,30 sg (312) então foi derramada no saco plástico.

Um eletrodo de referência de prata / sulfato de prata (313) foi inserido no saco plástico para a medição do potencial dos eletrodos positivos e negativos durante o teste.

Após a embebição dos eletrodos por 30 minutos, a célula foi plenamente carregada e a capacidade de 1 hora foi determinada.

Após a determinação de capacidade, a célula foi submetida a testes de ciclo sob diferentes compressões. de célula.

A força de compressão requerida foi obtida ao se girar o parafuso (314) no sentido horário, o que empurrou a célula de carga (316) e o pistão (318) contra o grupo de célula para a provisão de um valor de compressão desejado.

A performance de ciclo das Células 1 a 4 (Tabela 1) foi avaliada sob faixas amplas de forças de compressão, por exemplo, de 10 a 90 kPa.

A figura 4 mostra o perfil de teste envolvendo a sequência de carregamento e de descarregamento usada com O equipamento de teste e o arranjo de acordo com a figura 3, conforme escrito acima segundo Aparelho Experimental.

O perfil de teste é mostrado na figura 4. O procedimento de teste foi: (i) Descarregar em uma corrente de C A a 50% SoC (C = capacidade de 1 h da célula);

R (ii) Permitir que a célula fique em um circuito aberto VR por 1 hora (tempo de inatividade); "º (iii) Carregar a célula a uma voltagem constante de 2,45 V com uma corrente máxima de 4C A por de 30 a 33 s (note que a variação no tempo de carga é devido à manutenção da quantidade igual na entrada de carga durante esta etapa de carregamento e a saída de carga durante a etapa de descarga v); (iv) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (v) Descarregar a célula a uma corrente de 4C A por 30 Ss; (vi) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (vii) Repetir da etapa (iii) à etapa (vi) até a voltagem de célula atingir o valor de corte de 1,83 V durante uma etapa de descarregamento.

A figura 5 é um gráfico que mostra a performance de ciclo sob diferentes forças de compressão para as Células 1 a4 (Tabela 1) dirigidas a quatro configurações diferentes de eletrodo.

Para um dado tipo de célula, em geral, o aumento do número de ciclo com o aumento da força de compressão exibe três regiões com diferentes taxas de aumento, especificamente, as regiões I, IT e IIT.

A mudança no número de ciclo com o aumento da força de compressão pode ser ilustrada esquematicamente na figura 6. O aumento no número de ciclo com uma força de compressão de célula é lento na região I, onde a força de compressão de célula ainda é baixa.

O número de ciclo começa a aumentar quando a força de compressão atinge um certo valor (região II).

. Finalmente, o aumento no número de ciclo desacelera e se : torna virtualmente não modificado, quando a força de o compressão estiver além de um certo valor. ' Na região 1, há um aumento lento de número de ciclo como aumento na força de compressão similar para todas s Células 1 a 4. Com referência à figura 5, a Célula 1 (placa negativa formada sem revestimento de material eletroativo de taxa alta ou manta eletricamente condutiva) é mostrada pela curva “l”, a Célula 2 (placa negativa formada revestida com material eletroativo de taxa alta, mas sem qualquer folha de fibra de carbono) é mostrada na curva 2, a Célula 3 (placa negativa formada revestida com material de capacitor eletroativo de taxa alta e então coberta com uma folha de fibra de carbono) é mostrada pela curva “3” e a célula 4 (placa negativa formada coberta com uma folha de fibra de carbono e, então, revestida com material de capacitor) é mostrada pela curva “4”. A referência a “placa negativa formada” significa um coletor de corrente revestido com um material eletroativo de energia alta, o qual no presente teste era um material à base de chumbo conversível em um material à base de dióxido de chumbo. O aumento no número de ciclo entre ada célula foi mostrado como sendo na ordem: Célula 1 < Célula 2 < Célula 3 s célula 4.

Na região II, Oo aumento no número de ciclo com o aumento da força de compressão em cada célula se torna mais rápido, se comparado com aquele na região I e com o aumento no número de ciclo entre células seguindo a ordem: Célula 1 < Célula 2 < Célula 3 s« Célula 4.

Na região III, O nível final do número de ciclo é mais y alto para células na ordem a seguir: Célula 1 < Célula 2 = E célula 3 = Célula 4. o Concluindo, a Célula 3 e a Célula 4 mostram um aumento mais rápido no número de ciclo do que a Célula 1 e a Célula E) 2, e ambas estas células atingem o nível máximo de número de ciclo, quando a força de compressão for maior do que 60 kPa. Por outro lado, a Célula 1 e a Célula 2 atingem seu número de ciclo máximo correspondente quando as forças de compressão são maiores do que 80 e 70 kPa, respectivamente.

Isto indica que a adição da folha não tecida de fibra de carbono ajuda as Células 3 e 4 a atingirem O número de ciclo máximo mais rapidamente do que as Células 1 e 2, mesmo à força de compressão mais baixa, por exemplo, de 60 kPa.

3. Função de Manta Eletricamente Condutiva A próxima etapa envolvia os experimentos (figuras 7 a 10) para se descobrir se a adição de uma folha não tecida de fibra de carbono facilitava: (i) manter o material de capacitor eletroativo de taxa alta em conjunto e, portanto, aumentar a condutividade, bem como a resistência mecânica da camada de capacitor; (ii) prover energia adicional e potência à camada de capacitor; (iii) aumentar a condutividade e a resistência mecânica da camada de capacitor e prover energia adicional e potência.

A folha não tecida de fibra de carbono foi cortada no formato com altura (75 mm) e largura (75 mm) similares àquelas das grades de liga de chumbo usadas para eletrodos de chumbo ácido positivos, mas com espessuras diferentes (por exemplo, 0,5 mm para uma folha não tecida de fibra de carbono versus 1,7 mm para a grade de liga de chumbo | as E a a a

- positiva). A folha não tecida de fibra de carbono foi . coberta com um separador de manta de vidro e intercalada fa entre dois eletrodos positivos de chumbo ácido (energia alta). Os dois eletrodos positivos foram conectados por uma lingueta de chumbo puro. Os eletrodos em conjunto com os separadores foram então colocados em um saco plástico e o conjunto inteiro foi posicionado no recipiente de célula.

Uma solução de ácido sulfúrico de 1,30 sg então foi derramada no saco plástico. Após embebição dos eletrodos por 30 minutos, a célula foi submetida ao perfil a seguir: (i) Carregar a célula em uma voltagem constante (2,45 V) com uma corrente máxima de 0,02 A por 20 s; (ii) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (iii) Descarregar a célula a uma corrente de 0,02 A até a voltagem de célula atingir um valor de corte de 1 V; (iv) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (v) Recarregar a célula a uma voltagem constante de 2,45 V com uma corrente máxima de 0,02 A por 20 s; (vi) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (vii) Repetir da etapa (iii) à etapa (vi) 10 vezes.

A figura 7 mostra as mudanças na voltagem de célula, no potencial de eletrodo positivo e no potencial de eletrodo negativo durante uma carga e uma descarga a 20 ms em um ciclo. A figura 8 mostra as mudanças na voltagem de célula e no potencial de eletrodo negativo com o tempo para um conjunto de 10 ciclos. É claro que a voltagem de célula aaa p e o potencial de eletrodo negativo caem rapidamente para 1 . V e -0,1 V em 1,0 segundo.

Consequentemente, a capacidade a de descarga da folha não tecida de fibra de carbono é muito ó pequena, especificamente, de em torno de 0,005 a 0,013 mah.

O peso de folha não tecida de fibra de carbono é de 0,38 g e, portanto, a capacidade específica é de 0,013 a 0,034 mAh por grama.

A figura 9 mostra as mudanças na voltagem de célula, potencial de eletrodo positivo e potencial de eletrodo negativo durante a descarga e a carga a 50 mA em um ciclo (nota, a quantidade de carga introduzida durante a etapa de carregamento subsequente é 20% maior do que aquela da etapa de descarga prévia). A figura 10 mostra as mudanças na voltagem de célula e no potencial de eletrodo negativo com o tempo para um conjunto de 4 ciclos.

Diferentemente da folha não tecida de fibra de carbono nua, a folha não tecida de fibra de carbono revestida com material de capacitor proporciona um tempo de descarga muito mais longo e, portanto, uma capacidade muito mais alta, especificamente de 20 a 25 mAh versus 0,005 a 0,01 mAh.

O peso da folha de fibra de carbono revestida com material de capacitor é de 1,92 g e, portanto, a capacidade específica da folha de fibra de carbono revestida de capacitor, se comparada com aquela da folha nua é de 10,417 a 13,021 mAh por grama versus 0,013 a 0,034 mAh por grama.

Isto indica que a folha não tecida de fibra de carbono é adicionada para aumentar a resistência mecânica e a condutividade da camada de capacitor, não para prover energia ou potência adicional. | 30 O experimento a seguir foi estabelecido para se rr v encontrar se, durante uma passagem de pasta, o material de . capacitor eletroativo de taxa alta poderia passar através h dos poros da folha não tecida de fibra de carbono e ; contatar uma superfície adjacente de uma placa negativa de chumbo ácido. O material de capacitor eletroativo de taxa alta foi preparado pela mistura de negro de carbono, carbono ativado, aglutinante e água. A pasta de capacitor então foi aplicada sobre a área média da folha não tecida de fibra de carbono, a qual foi colocada sobre um papel branco. Foi visto que, dependendo da porosidade de folha não tecida de fibra de carbono, o material de capacitor pode ou não se transferir através dali para uma superfície adjacente. Isto indica que o uso de folhas não tecidas de fibra de carbono pode ser especificado tendo uma porosidade que evita que o material de capacitor eletroativo de taxa alta ou uma pasta do mesmo permeie ou se mova através da folha de fibra de carbono para uma superfície oposta.

4. Performance de Material Eletroativo de Taxa Alta A próxima etapa envolvia experimentos para encontrar a composição ótima do material (de capacitor) eletroativo de taxa alta. Quatro tipos de composições de capacitor foram preparados, conforme mostrado na Tabela 2, e foram revestidos sobre quatro folhas não tecidas de fibra de carbono, as quais tinham as mesmas propriedades e foram obtidas a partir da companhia Hollingsworth and Vose. A folha de carbono foi cortada no formato com altura de 75 mm e largura de 75 mm, de modo similar àquelas do eletrodo positivo de chumbo ácido. a

- Tabela 2. Células de teste compreendendo eletrodos de . capacitor diferentes Í Tipo Folha não Composição de Capacidade no 10º tecida de capacitor ? ciclo ?* (mAh por fibra de grama de material carbono * de capacitor) 1 Negro de carbono 49 45% em peso Carbono ativado 35% 2 8000030 (25,4 | Negro de carbono 64 mm) 20% em peso Carbono ativado 60% 3 8000030 (25,4 | Negro de carbono 100 mm) 10% em peso Carbono ativado 70% 4 8000030 (25,4 | Negro de carbono 110 mm) 0% em peso Carbono ativado 85% Note: * a amostra foi obtida a partir da Hollingsworth & Vose Company, USA.

?? carboximetilcelulose a 4% em peso, neoprene a 11% em peso e fibra de plástico a 5% em peso para os tipos 1 a 3 e a fibra de plástico foi adicionalmente removida para o tipo 4.

* descarga a 50 mA.

. A configuração do sistema usado para testar as células - de Tipos 1 a 4 a partir da Tabela 2 é mostrada na figura " 11. O eletrodo de capacitor compreendia uma folha não tecida de fibra de carbono (324) e um material de capacitor (326), e a folha não tecida de fibra de carbono atuou como um coletor de corrente nesta modalidade.

O eletrodo de capacitor foi coberto com um separador de manta de vidro (322) e intercalado entre dois eletrodos positivos de chumbo ácido (alta energia) (320). Para contato elétrico, a lingueta da folha não tecida de fibra de carbono foi grampeada por das folhas de metal de chumbo (334). O grupo de placa então foi colocado horizontalmente em um recipiente plástico.

Um bloco de chumbo de 15 kg (332) foi carregado sobre a folha de plástico colocada sobre o grupo de placa para a provisão de uma força de compressão de 10 kPa, conforme mostrado na figura 11. Uma solução de ácido sulfúrico de 1,30 sg (320) foi derramada no recipiente de célula para o nível ligeiramente mais alto do que o eletrodo positivo superior e um eletrodo de referência de prata / sulfato de prata (330) foi inserido.

Após embebição dos eletrodos por 30 minutos, a célula foi submetida ao perfil a seguir: (i) Carregar a célula em uma voltagem constante (2,45 V) com uma corrente máxima de 0,02 A por 1 h; (ii) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 Ss; (iii) Descarregar a célula a uma corrente de 0,05 A até a voltagem de célula atingir um valor de corte de 1 V; (iv) Permitir que a célula fique em um circuito aberto y por 10 s; - (v) Recarregar a célula a uma voltagem constante de is 2,45 V com uma corrente máxima de 0,05 A até uma . sobrecarga de 20% ser atingida; (vi) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (vii) Repetir da etapa (iii) à etapa (vi) 10 vezes. A capacidade no 10º ciclo também é dada na Tabela 2. Ela mostra que a capacidade aumenta com o aumento de carbono ativado e a redução, ou mesmo remoção, do negro de carbono. Isto indica que a folha não tecida de fibra de carbono tem condutividade suficiente, de modo que um material eletroativo de taxa alta não requeira a adição de negro de carbono.

5. Performance de Manta Eletricamente Condutiva Experimentos “também foram estabelecidos para se descobrirem as folhas não tecidas de fibra de carbono ótimas. O aparelho acima (veja a figura 11) e o procedimento de teste foram usados neste experimento. A mesma composição do material (de capacitor) eletroativo de taxa alta, isto é, negro de carbono a 10% em peso, carbono ativado a 70% em peso, carboximetilcelulose a 4% em peso, neoprene a 11% em peso e fibra de plástico a 5% em peso, foi usada e revestida sobre diferentes tipos de folhas não tecidas de fibra de carbono, especificamente 8000018, 8000030 (25,4 mm), 8000030 (12,7 mm), 8000040, 8000154. Estas folhas não tecidas de fibra de carbono têm diferentes propriedades e espessuras. Os resultados mostram que as folhas não tecidas de fibra de carbono 8000030 (25,4 mm), 8000030 (12,7 mm) e 8000040 proporcionam uma performance

BR similar.

- O próximo experimento foi configurado para a avaliação " das três folhas de fibra de carbono acima sob uma corrente de descarta mas alta (figura 12). O aparelho experimental foi modificado, de modo que a célula fosse capaz de descarregar e carregar em taxas mais altas. As folhas não tecidas de fibra de carbono e as folhas de metal de chumbo puro (espessura = em torno de 1 mm) foram cortadas no formato com altura de 75 mm e largura de 75 mm, o que é similar àquelas do eletrodo positivo de chumbo ácido. As três folhas de fibra de carbono foram revestidas com a mesma composição de material de capacitor de taxa alta de: carbono ativado a 85% em peso, carboximetilcelulose a 4% em peso e neoprene a 11% em peso (Tabela 3). Cada folha de fibra de carbono revestida, a qual compreendia a folha não tecida de fibra de carbono (334) e um material de capacitor (336), foi montada com uma folha de metal de chumbo (338), um separador de manta de vidro (340) e um eletrodo positivo de chumbo ácido (342) em um recipiente de plástico, conforme mostrado na figura 12. Diferentemente do arranjo na figura 11, a folha de metal de chumbo atuava como o coletor de corrente, o que permitiu que a corrente fluísse para e a partir da camada de capacitor. Uma solução de ácido sulfúrico de 1,30 sg foi derramada no recipiente de célula para o nível ligeiramente mais alto do que o eletrodo positivo superior. Após embebição dos eletrodos por 30 minutos, a célula foi submetida ao perfil a seguir: (i) Carregar a célula em uma voltagem constante (2,45 V) com uma corrente máxima de 0,02 A por 1 h; (ii) Permitir que a célula fique em um circuito aberto

" por 10 s;

- (iii) Descarregar a célula a uma corrente de 0,15 A " até a voltagem de célula atingir um valor de corte : de 1 V;

(iv) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (v) Recarregar a célula a uma voltagem constante de 2,45 V com uma corrente máxima de 0,15 A até uma sobrecarga de 20% ser atingida; (vi) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (vii) Repetir da etapa (iii) à etapa (vi) 10 vezes.

Os resultados mostram que, com a modificação do eletrodo de capacitor, conforme mostrado na figura 12, as células foram capazes de serem descarregadas e carregadas em taxas mais altas, se comparadas com aquilo disposto na figura 11. Três células não apresentam diferenças grandes na capacidade, especificamente, na faixa de 175 a 180 mAh por grama (tabela 3). Isto indica que as folhas não tecidas de fibra de carbono, isto é, 8000030 (25,4 mm), 8000030 (12,7 mm) e 8000040, podem ser usadas como oO suporte eletricamente condutivo e mecânico para um material de capacitor.

Tabela 3. Células de teste compreendendo diferentes eletrodos de capacitor e sua performance.

. Tipo Folha não Composição de Capacidade (mAh . tecida de capacitor ? por grama de " fibra de material de carbono * capacitor) 1 8000030 (25,4 | Negro de carbono 180 mm) 0% em peso Carbono ativado 85% 2 8000030 (12,7 Negro de carbono 175 mm) 0% em peso | Carbono ativado 85% 3 8000040 Negro de carbono 175 0% em peso Carbono ativado 85%

6. Performance de Material Eletroativo de Taxa Alta com Óxido de Chumbo Experimentos também foram estabelecidos para se testar o efeito de adicionar óxido de chumbo ao material eletroativo de taxa alta. Isto é para determinar se o material de capacitor pode prover energia adicionada, isto é, ser capaz de compartilhar energia com o material eletroativo de energia alta. O aparelho conforme a figura 12 foi usado neste experimento. A composição (de capacitor) eletroativa de taxa alta foi mudada para variação do óxido de chumbo, do negro de carbono e do carbono ativado. Foi revestida diretamente sobre a folha de chumbo, ou folha não rr

. tecida de fibra de carbono (8000030 Ou 8000040). A g composição e a configuração de célula são dadas na Tabela ". 4. O experimento foi estabelecido para a avaliação das . diferentes composições e configurações sob uma corrente de descarga mais alta. Tabela 4. Células de teste compreendendo diferentes eletrodos de capacitor e sua performance.

Células | Configuração Composição E Mamede a Bagda sá capacitor, % | de material de capacitor)? em peso * Descarga Descarga para 1,0 V para 1,75 V 1 Material de | Óxido de | 38 9,7 capacitor chumbo a 20 passado em pasta | Negro de diretamente carbono a 20 sobre a folha de | Carbono chumbo ativado a 45 2 Material de | Óxido de | 66 15 capacitor chumbo 20 passado em pasta | Negro de diretamente carbono 35 sobre a folha de | Carbono chumbo ativado 35 3 Material de | Óxido de | 50 22 capacitor chumbo a 20 passado em pasta | Negro de sobre 8000040 (a|carbono a 30 partir da | Carbono Hollingsworth ativado a 35 and Vose)

. 4 Material de | óxido de | 53 11 - capacitor chumbo a 20 passado em pasta | Negro de . sobre 8000020 | carbono a 30 (25,4 mm) (a | Carbono partir da | ativado a 35 Hollingsworth and Vose) Nota: * carboximetilcelulose a 5% em peso, neoprene a 10% em peso, 0% em peso de fibra de plástico. ?' descarga em 0,5 A, capacidade tomada no 50º ciclo.

As folhas não tecidas de fibra de carbono e folhas de metal de chumbo puro (espessura = em torno de 1 mm) foram cortadas no formato com altura de 75 mm e largura de 75 mm, o que é similar àquelas do eletrodo positivo de chumbo ácido.

Os quatro tipos de célula foram revestidos com composições de óxido de chumbo, negro de carbono e carbono ativado, conforme listado acima (Tabela 4) com o seguinte: carboximetilcelulose a 5% em peso e neoprene a 10% em peso.

As Células 1 e 2 consistiam no material de capacitor de carbono de taxa alta passado em pasta diretamente sobre as folhas de chumbo (338) e, então, envolvidos com um separador de manta de vidro (340) e montadas com um eletrodo positivo de chumbo ácido (342) em um recipiente de plástico, conforme mostrado na figura 12. Diferentemente do arranjo para as Células 1 e 2, as Células 3 e 4 tiveram Oo material de capacitor de carbono de taxa alta passado em pasta sobre as folhas não tecidas de fibra de carbono 8000040 e 8000030 (25,4 mm) (334) respectivamente.

Estas então foram colocadas no topo da folha de chumbo (338) e, 2 gy então, envolvidas com um separador de manta de vidro (340) - e montadas com um eletrodo positivo de chumbo ácido (342 ás em um recipiente de plástico, conforme mostrado na figura

12.

Uma solução de ácido sulfúrico de 1,30 sg foi derramada no recipiente de célula para o nível ligeiramente mais alto do que o eletrodo positivo superior. Após embebição dos eletrodos por 30 minutos, a célula foi submetida ao perfil a seguir: (i) Carregar a célula em uma voltagem constante (2,45 V) com uma corrente máxima de 0,02 A por 1,5 h; (ii) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (iii) Descarregar a célula a uma corrente de 0,5 A até a voltagem de célula atingir um valor de corte de 1 V; (iv) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (v) Recarregar a célula a uma voltagem constante de 2,45 V com uma corrente máxima de 0,5 A até uma sobrecarga de 10% ser atingida; (vi) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (vii) Repetir da etapa (iii) à etapa (vi) 50 vezes; (viii) Repetir da etapa (ii) à etapa (vii) com a voltagem de corte de 1,75 V na etapa (iii).

Os resultados mostram que, com a adição de óxido de chumbo no eletrodo de capacitor, as células foram capazes de serem descarregadas a taxas mais altas, se comparadas com as células que não continham óxido de chumbo. Contudo, rare

- as capacidades proporcionadas na Tabela 4 com as células - descarregadas a 1,0 V são muito mais baixas, se comparadas e com as capacidades de um capacitor de teor de carbono . ativado alto (veja a Tabela 3). A capacidade registrada a uma descarga de 1,75 V é atribuída ao óxido de chumbo presente no capacitor.

As células acima foram submetidas, então, a um outro experimento para se testar sua capacidade de aceitar correntes mais altas. As células foram submetidas ao perfil a seguir: (i) Carregar a célula em uma voltagem constante (2,65 V) com uma corrente máxima de 0,02 A por 1,5 h; (ii) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (iii) Descarregar a célula a uma corrente de 0,5 A por s; (iv) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 s; (v) Recarregar a célula a uma voltagem constante de 20 2,65 V com uma corrente máxima de 70% de 0,5 A até uma carga de 100% ser atingida pelo ajuste do tempo; (vi) Permitir que a célula fique em um circuito aberto por 10 Ss; (ix) Repetir da etapa (iii) à etapa (vi) até a voltagem de célula atingir um valor de corte de 1,75; (x) Repetir da etapa (ii) à etapa (vii) aumentando a corrente de descarga para 1 A. Aumentar a corrente de carregamento para 1 A na etapa (v). Equilibrar tran p a carga indo para a célula pelo ajuste do tempo - durante um carregamento (isto é, etapa (v)), de x modo que a carga seja igual a ou maior do que a ' descarga. Se a corrente de descarga fizer com que a célula atinja a voltagem de corte, então esta será a corrente de descarga máxima. (xi) Repetir da etapa (ii) à etapa (vii) aumentando a corrente de descarga e as correntes de carga até 2 A. Equilibrar a carga indo para a célula pelo ajuste do tempo durante um carregamento (isto é, etapa (v)), de modo que a carga seja igual a ou maior do que a descarga. Se a corrente de descarga puder ser aumentada além de 2 A, então, manter a corrente de carga em 2 A e variar o tempo para se permitir que a carga combine com a descarga. Os resultados para a Célula 1 são mostrados na figura 13, para a Célula 2 na figura 14, para a Célula 3 na figura 15 e para a Célula 4 na figura 16. Os resultados para a Célula 1 indicaram que ela era capaz de manter uma corrente de descarga de até 0,5 A. Os resultados para as Células 2, 3 e 4 mostraram que a corrente de descarga pode ser aumentada para até 5 A (89 mA/cm?) com uma capacidade de até 4 mAh/g.

7. Performance de Célula Regulada por Válvula Experimentos também “foram estabelecidos para a determinação da performance de uma célula de 2 V de chumbo ácido regulada por válvula (VRLA) contendo uma manta eletricamente condutiva na forma de uma folha não tecida de fibra de carbono compreendendo um material de capacitor de taxa alta. O aparelho conforme a figura 17 foi usado neste | ——==" a

" experimento.

- A composição (de capacitor) eletroativa de taxa alta f . consistia em carbono ativado a 86% em peso, . carboximetilcelulose a 4% em peso, e neoprene a 10% em peso (450) foi revestida sobre 8 pedaços de folhas não tecidas de fibra de carbono 8000040 (352). Estas folhas foram cortadas no formato com altura de 75 mm e largura de 75 mm, o que é similar àquelas dos eletrodos positivos de chumbo ácido (354) e dos eletrodos negativos de chumbo ácido (356). A célula tem 4 eletrodos positivos e 5 eletrodos negativos. As folhas não tecidas de fibra de carbono então foram colocadas voltadas para o eletrodo negativo. AS folhas não tecidas de fibra de carbono foram apenas inseridas perto dos eletrodos negativos se os eletrodos negativos estivessem voltados para um eletrodo positivo. Os eletrodos positivos foram soldados por pontos no coletor de corrente positivo (358). Os eletrodos negativos foram soldados por pontos no coletor de corrente negativo (360). Separadores de manta de vidro (362) foram inseridos entre a folha não tecida de capacitor de carbono / fibra de carbono e o eletrodo positivo. Os eletrodos negativos, folhas não tecidas de capacitor de carbono / fibra de carbono, eletrodos positivos e separadores de manta de vidro intercalados foram colocados em um recipiente de acrílico (364) e comprimidos a 70 kPa. O recipiente foi selado com uma tampa de acrílico (366) adaptada com uma válvula de pressão (368). Um eletrodo de referência de prata / sulfato de prata (370) foi inserido no separador de manta de vidro para o registro do potencial positivo.

Uma solução de ácido sulfúrico de 1,30 sg foi | :

. derramada no recipiente de célula até o nível ligeiramente . mais alto do que o topo dos separadores de manta de vidro. " Após a embebição da célula por 8 horas, a célula foi . carregada por 24 horas com um topo de voltagem de carga de 2,55 V e 6 A. Após o carregamento, o ácido foi ajustado para 1,30 sg, e o ácido em excesso foi removido da célula.

A célula foi ajustada para os experimentos a seguir, 1) Determinação de capacidade a 1 h (C1); 2) Determinação da performance de ciclo da célula usando o perfil de 42 V para simulação de uma operação sob condições de direção híbridas moderadas.

A capacidade a 1 h da célula foi determinada usando-se o perfil a seguir, e foi determinada a cada 10000 ciclos completados durante o teste de ciclo de perfil de 42 V: (i) Carregar a célula em uma voltagem constante (2,45 V) com uma corrente máxima de 2,5 A por 1,5 h; (ii) Descarregar a célula a uma corrente de 9,95 A até a voltagem de célula atingir um valor de corte de 1,67 V; (iv) Recarregar a célula a uma voltagem constante de 2,45 V com uma corrente máxima de 9,95 A até uma carga de 115% ou por 30 h ser atingida; (vi) Repetir a partir da etapa (ii) 18 vezes; (vii) Usar a Equação de Peukert para a determinação da capacidade a 1 h.

A capacidade inicial da célula foi determinada como sendo de 9,22 Ah. Portanto, a taxa de Cl foi de 9,22 A e este valor foi usado no teste de ciclo de 42 V.

O próximo experimento estudou a performance da célula sob um perfil de ciclo de 42 V, dado na figura 18. Este

. perfil incluía as etapas a seguir com Cl = 9,4 A; . (i) Medição de resistência interna (iR) " - Pulso de corrente de -12 A por 100 ms; : (ii) Operação de parada sem carga - Descarga com 1,4 Cl por 60 s.

Se a voltagem de célula atingir a voltagem de corte (CoV) 1,2 V, então terminar o ciclo; (iii) Operação de mudança de marcha - Descarga com 12 Cl por 0,5 s, COV < 1,2 V, então terminar o ciclo (iv) Operação assistida com potência - Descarga com 6 Cl por 0,5 s, COV < 1,2 V, então terminar o ciclo (v) Operação de carga do motor - Carregar com 1,4 Cl, por 70 s, ou ToCV (topo de voltagem de carga) 2,45 V - O de corrente por 5 s - Carregar com 3,2 Cl por 5 s, ou ToCV = 2,45 V (vi) Repetir da etapa (i) até 10000 ciclos serem atingidos (vii) Teste de capacidade residual - Descarga com Cl, COV <1,67 V (viii) Carga plena por 24 h e teste de capacidade a 1h - Carregar com 0,5 Cl por 24 h com um ToCV = 2,45 v - Descarregar com C1 até COV < 1,67 V (ix) Carga plena por 24 h - fim do perfil - Carregar com 0,5 Cl por 24 h ou capacidade de carga / descarga = 115%

" (x) Começar próximos 10 000 de teste até COV < 1,2 V, - Os resultados do ciclo de 42 V são mostrados na figura is 19. A capacidade foi determinada a cada 10000 ciclos ' completados durante o teste de ciclo de perfil de 42 V. O gráfico mostrou que a célula não tinha ainda atingido a voltagen de corte de 1,2 V, isto é, ela ainda não tinha falhado após 27389 ciclos. A capacidade da célula foi medida a cada 10000 ciclos. A capacidade aumentou ligeiramente durante os 7389 ciclos (a célula parou o ciclo neste ponto, devido a uma falha de potência) e foi gradualmente diminuindo por quanto mais tempo a célula tinha estado no ciclo.

8. Fabricação de modalidades de Camada Compósita e Eletrodo Os exemplos de dois processos de fabricação envolvendo uma camada compósita de capacitor, isto e, uma camada compósita compreendendo fo) material (de capacitor) eletroativo de taxa alta revestido sobre a manta eletricamente condutiva, o que é na forma de uma folha não tecida de fibra de carbono, são mostrados nas figuras 20 e

21.

A figura 20 mostra um processo para a produção de uma camada ou folha compósita de capacitor, a qual pode ser armazenada e usada mais tarde com placas negativas e positivas de chumbo ácido, em conjunto com um separador durante uma montagem de bateria. Uma placa negativa de chumbo ácido pode ser montada com duas folhas compósitas de capacitor posicionadas em ambos os lados da placa negativa de chumbo ácido (figura 21).

Na figura 20, uma tira de material não tecido de fibra de carbono (350) é alimentada pela cinta transportadora

BR (352) para o aplicador de pasta ou tremonha (354), onde a r pasta de capacitor (356) compreendendo um material " eletroativo de taxa alta é aplicada sobre a tira.

Uma tira . de papel (358) então é colocada sobre a superfície da tira compósita de capacitor para facilitar a manipulação, e a camada compósita é cortada em placas por um cortador rotativo (360) em um formato de placa tendo um dado comprimento.

As placas compósitas de capacitor então foram alimentadas através de um secador rápido (362), onde a umidade superficial da placa compósita de capacitor é removida.

As placas compósitas de capacitor são empilhadas e, subsequentemente, transportadas para O forno de secagem.

A figura 21 mostra a aplicação simultânea das duas camadas compósitas de capacitor (taxa alta) por uma camada de eletrodo compreendendo um coletor de corrente revestido com um material eletroativo de energia alta.

A pasta de energia alta (bateria) de chumbo ácido negativa (372) é aplicada pelo aplicador de pasta (370) sobre o coletor de corrente, para a formação de uma camada de eletrodo, o que é na forma de uma grade de liga de chumbo fundida contínua (366) e é alimentada para a máquina de aplicação de pasta pela cinta transportadora (368). As duas camadas compósitas de capacitor (376), as quais forma formadas previamente, são pressionadas em ambos os lados da camada de eletrodo (374) com uma aplicação de pasta contínua por rolos em pares (578), para a formação de um componente de eletrodo compósito.

A aplicação de pasta das duas camadas compósitas de capacitor pode ser realizada ao mesmo tempo com o misturador de pasta de adição e os aplicadores de pasta.

O componente de eletrodo compósito inteiro (380) então é

- cortado pelo cortador rotativo (382) em um formato de placa - com um dado comprimento (384). As placas compósitas (384) " então são transportadas através do secador rápido (386), . onde a umidade superficial das placas compósitas é removida.

As placas compósitas são empilhadas (388) e subsequentemente transportadas para os estágios de cura e de secagem.

Claims (20)

1. - REIVINDICAÇÕES r 1. Eletrodo para um dispositivo de armazenamento S elétrico, caracterizado por compreender: . um coletor de corrente; um primeiro material eletroativo; um segundo material eletroativo; e uma manta eletricamente condutiva; em que: o primeiro material eletroativo tem uma densidade de energia mais alta do que O segundo material eletroativo, e o segundo material eletroativo tem uma capacidade de taxa mais alta do que O primeiro material eletroativo; e a manta eletricamente condutiva provê suporte estrutural e condutivo para pelo menos um dentre o primeiro material eletroativo e o segundo material eletroativo.
2. 2. Eletrodo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da manta eletricamente condutiva compreender uma rede porosa de fibras eletricamente condutivas interconectadas.
3. 3. Eletrodo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato da manta eletricamente condutiva ser uma folha de fibra de carbono.
4. 4. Eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato da manta eletricamente condutiva compreender um ou mais revestimentos, camadas ou regiões compreendendo pelo menos um primeiro material eletroativo e um segundo material eletroativo.
5. 5. Eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato da manta

   - eletricamente condutiva compreender um ou mais f revestimentos, camadas ou regiões compreendendo um primeiro ”" material eletroativo ou um segundo material eletroativo - opcionalmente com um ou mais aditivos.
6. 6. Eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato da manta eletricamente condutiva ser provida como uma camada interveniente separando o primeiro material eletroativo do segundo material eletroativo.
7. 7. Eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato do primeiro material eletroativo ser um material à base de chumbo.
8. 8. Eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de carbono de área superficial alta, óxido de rutênio, óxido de prata, óxido de cobalto e polímeros de condução.
9. 9. Eletrodo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato do carbono de área superficial ser um ou mais materiais selecionados a partir do grupo que consiste em carbono ativado, negro de carbono, carbono amorfo, nanopartículas de carbono, nanotubos de carbono e fibras de carbono.
10. 10. Eletrodo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato do carbono de área superficial ser carbono ativado.
11. 211. Dispositivo de armazenamento elétrico, caracterizado por compreender pelo menos um par de eletrodos, em que pelo menos um eletrodo é um eletrodo definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.
12. 12. Dispositivo de armazenamento elétrico, de acordo

    - com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de pelo f menos um eletrodo ser um eletrodo negativo compreendendo o 2 primeiro material eletroativo selecionado a partir de um ou . mais do grupo que consiste em cádmio, hidretos de metal, chumbo e zinco.
13. 13. Dispositivo de armazenamento elétrico, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato do primeiro material eletroativo ser chumbo.
14. 14. Dispositivo de armazenamento elétrico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 à 13, caracterizado pelo fato de pelo menos um eletrodo ser um eletrodo positivo compreendendo um primeiro material eletroativo selecionado a partir de um ou mais do grupo que consiste em óxido de níquel, óxido de chumbo e prata.
15. 15. Dispositivo de armazenamento elétrico, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato do primeiro material eletroativo ser óxido de chumbo.
16. 16. Dispositivo de armazenamento elétrico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, caracterizado pelo fato de o dispositivo ser um dispositivo regulado por válvula.
17. 17. Dispositivo de armazenamento elétrico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 16, caracterizado pelo fato de o dispositivo de armazenamento elétrico ser configurado para operação sob uma força de compressão de menos de em torno de 80 kPa.
18. 18. Dispositivo de armazenamento elétrico que compreende pelo menos um dentre um eletrodo positivo à base de dióxido de chumbo e pelo menos um eletrodo negativo à base de chumbo esponjoso em uma solução de eletrólito de

    . ácido sulfúrico, caracterizado pelo fato de pelo menos um kh eletrodo negativo à base de chumbo esponjoso compreender: "E um coletor de corrente; . uma primeira camada depositada sobre o coletor de corrente, a primeira camada compreendendo chumbo esponjoso; a segunda camada em contato com a primeira camada, a segunda camada compreendendo uma manta eletricamente condutiva compreendendo uma rede de fibras de carbono condutivas eletricamente interconectadas; uma terceira camada depositada sobre a segunda camada, a terceira camada compreendendo um segundo material eletroativo; em que o chumbo esponjoso tem uma densidade de energia mais alta do que o segundo material eletroativo, e oO segundo material eletroativo tem uma capacidade de taxa mais alta do que o chumbo esponjoso.
19. 19. Processo para a fabricação de um eletrodo definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, O processo caracterizado por compreender: a formação de uma camada compósita compreendendo pelo menos um dentre o primeiro material eletroativo e o segundo material eletroativo depositado sobre e/ou incorporado na manta eletricamente condutiva; e o acoplamento da camada compósita ao coletor de corrente.
20. 20. Processo para a fabricação de um eletrodo, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de o processo ainda compreender a formação de um revestimento do primeiro material eletroativo sobre o coletor de corrente.