BR112021000564A2 - Composto do tipo hidróxido de camada dupla (dlh) e uso do mesmo em um eletrodo para um dispositivo de armazenamento de energia com seu compósito de grafite e resina e eletrólito. - Google Patents

Composto do tipo hidróxido de camada dupla (dlh) e uso do mesmo em um eletrodo para um dispositivo de armazenamento de energia com seu compósito de grafite e resina e eletrólito. Download PDF

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Abstract

composto do tipo hidróxido de camada dupla (dlh) e uso do mesmo em um eletrodo para um dispositivo de armazenamento de energia com seu compósito de grafite e resina e eletrólito. a presente revelação se refere a compostos do tipo hidróxido de camada dupla que compreendem íons de níquel tanto bivalentes quanto trivalentes, e o uso de tais compostos em eletrodos para dispositivo de armazenamento de energia, além de um eletrodo desenvolvido anteriormente com o uso de "compostos relacionados à ferrugem verde" fe2+ e fe3+.

Description

COMPOSTO DO TIPO HIDRÓXIDO DE CAMADA DUPLA (DLH) E USO DO MESMO EM UM ELETRODO PARA UM DISPOSITIVO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA COM SEU COMPÓSITO DE GRAFITE E RESINA E ELETRÓLITO REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
[0001] Este pedido reivindica prioridade a e o benefício do Pedido de Patente Provisório Número de Série U.S. 62/697.478 intitulado “Double Layered Hydroxide (DLH)-type Compound and Use Thereof in an Electrode for an Energy Storage Device with its Graphite and Resin Composite and Electrolyte”, depositado em 13 de julho de 2018, cuja revelação é incorporada no presente documento por referência em sua totalidade.
CAMPO DA TÉCNICA
[0002] A presente revelação se refere a compostos do tipo hidróxido de camada dupla (DLH) que compreendem íons de níquel tanto bivalentes quanto trivalentes, e o uso de tais compostos em eletrodos para dispositivos de armazenamento de energia.
ANTECEDENTES
[0003] Os dispositivos de armazenamento de energia (como células secundárias/recarregáveis, baterias recarregáveis e acumuladores), em geral, compreendem um eletrodo positivo, um eletrodo negativo e um eletrólito. O eletrodo positivo é, por convenção, o cátodo na descarga, e o eletrodo negativo é o ânodo na descarga. Conforme usado, no presente documento, o termo "cátodo" se refere ao eletrodo positivo no ciclo de descarga e o termo "ânodo" se refere ao eletrodo negativo no ciclo de descarga.
SUMÁRIO
[0004] Em um aspecto, é fornecido um composto que tem a fórmula[NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4X)]2+ [A2-nH2O] , em que x é de 0 a 1, e A2- é um ânion de carga -2; sendo que o composto tem uma estrutura do tipo hidróxido de camada dupla (DLH).
[0005] Em algumas modalidades, A2- é CO32-.
[0006] As moléculas de água, incorporadas ao material de hidróxido de camada dupla, não desempenham nenhum papel no processo redox. As moléculas de água podem ocupar sítios dentro das camadas intermediárias deixadas por dois íons de CO32-. No caso do material de DLH NiII-NiIII, isto é, [[NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4X)]2+ [CO32- nH2O]2- a célula de unidade do parâmetro de treliça é (4×α), se α for a distância entre os cátions no pavimento hexagonal. Portanto, existem, em uma célula unitária, 16 sítios possíveis, e as moléculas de água podem preencher no máximo 10 desses sítios, visto que cada íon CO32- ocupa três sítios (um em configuração nabla e outro em configuração delta); os mesmos são, provavelmente, menos numerosos que 10 (n ≤ 10) e, portanto, são distribuídos de maneira aleatória. No caso do material DLH FeII-FeIII FeII6(1-y) FeIII6y O12H2(7-3y)]2+ [CO32- mH2O]2-, a célula unitária é (2√3×α), que corresponde a 12 sítios, e as moléculas de água podem preencher no máximo 6 desses sítios (m ≤ 6). No entanto, todas as moléculas de água presentes nesses materiais não desempenham qualquer papel no processo de desprotonação- protonação (descrito abaixo), e o número de moléculas de água presentes não é, portanto, relevante para o funcionamento dos materiais em seu uso como eletrodos. Por conseguinte, a partir de agora, os mesmos não serão mais mencionados em todas as fórmulas, que podem ser escritas NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x) CO3, por um lado, e FeII6(1-y) FeIII6y O12 H2(7-3y) CO3, por outro lado.
[0007] Em algumas modalidades, o composto está na forma de cristais hexagonais planos (plaquetas) que têm um tamanho de 50 nm a 1.500 nm. Muitas vezes, em algumas modalidades, os cristais têm um tamanho de cristal de cerca de 100 nm.
[0008] Em algumas modalidades, o composto é para uso em um eletrodo de um dispositivo de armazenamento de energia.
[0009] Em outro aspecto, é fornecido um material para um eletrodo de um dispositivo de armazenamento de energia, sendo que o material compreende um composto, como definido em qualquer uma das modalidades acima.
[0010] Em algumas modalidades, o material é um material compósito que compreende ainda um ligante.
[0011] Em algumas modalidades, o material compreende ainda um grafite.
[0012] Em outro aspecto, é fornecido um eletrodo para um dispositivo de armazenamento de energia, que compreende o material, como definido em qualquer uma das modalidades acima.
[0013] Em algumas modalidades, o eletrodo é um cátodo na descarga do dispositivo de armazenamento de energia.
[0014] Em algumas modalidades, o eletrodo é um ânodo na descarga do dispositivo de armazenamento de energia.
[0015] Em outro aspecto, é fornecido um dispositivo de armazenamento de energia que compreende o eletrodo, como definido em qualquer uma das modalidades acima.
[0016] Em algumas modalidades, o dispositivo de armazenamento de energia compreende ainda um segundo eletrodo que compreende um composto de fórmula FeII6(1-y) FeIII6y O12 H2(7-3y) CO3, em que y é de 0 a 1. Em algumas modalidades, x é 1 e y é 0. Em outras modalidades, x é 0 e y é 1.
[0017] Em algumas modalidades, o dispositivo de armazenamento de energia compreende ainda um eletrólito que é um tampão de CO32-/HCO3-. Em algumas modalidades, o eletrólito tem um pH de cerca de 8 a cerca de 12. Em algumas modalidades, o eletrólito tem um pH de cerca de 10.
[0018] Em outro aspecto, é fornecido um método de preparação do composto de fórmula NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x) CO3, como definido em qualquer uma das modalidades anteriores, sendo que o método compreende:
[0019] □ coprecipitação de um sal NiII e um sal NiIII sob uma atmosfera livre de oxigênio, em que uma razão x = {[Ni3+] / ([Ni2+] + [Ni3+])} é igual a 1/4 para fornecer um composto de fórmula NiII6 NiIII2 (OH)16 CO3; e
[0020] □ desprotonação do composto de fórmula NiII6 NiIII2 (OH)16 CO3, por adição rápida de peróxido de hidrogênio em atmosfera livre de oxigênio, para obter o composto NiIII8O16H10 CO3.
[0021] Em outro aspecto, é fornecido um método de preparação de um dispositivo de armazenamento de energia, como definido em qualquer uma das modalidades acima, que compreendem:
[0022] □ preparar o composto de fórmula NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x) CO3, como definido em qualquer uma das modalidades anteriores, pelo método definido acima;
[0023] □ combinar o composto obtido na etapa (a) com um grafite e um primeiro ligante de resina para formar um primeiro material compósito.
[0024] □ preparar um primeiro eletrodo a partir do primeiro material compósito, por exemplo, uma folha plana.
[0025] □ fornecer um segundo eletrodo que compreende um segundo material compósito, sendo que o segundo material compósito compreende grafite, um segundo ligante de resina e um composto de fórmula FeII6(1-y) FeIII6y O12 H2(7-3y) CO3, em que y é de 0 a 1;
[0026] □ fornecer um eletrólito que é um tampão de CO32-/HCO3-, que tem um pH de cerca de 8 a cerca de 12; e
[0027] □ montar o primeiro eletrodo, o segundo eletrodo e o eletrólito para fornecer o dispositivo de armazenamento de energia.
[0028] Em algumas modalidades, x em NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x) CO3 é 1, enquanto y em FeII6(1-y) FeIII6y O12 H2(7-3y) CO3 é 0.
[0029] Em algumas modalidades, x em NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x) CO3 é 0, enquanto y em FeII6(1-y) FeIII6y O12 H2(7-3y) CO3 é 1.
[0030] Em algumas modalidades, o primeiro ligante é uma resina.
[0031] Em algumas modalidades, o segundo ligante é uma resina.
[0032] Em algumas modalidades, o tampão tem um pH de cerca de 10.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[0033] A Figura 1 mostra um diagrama de equilíbrio de massa de FeII6(1-x) FeIII6x O12 H2(7-3x) CO3 e um ciclo voltamétrico, correspondente desse material, em que x (a razão molar férrica) pode variar de 0 a 1. A “Ferrugem Verde”, como observada na corrosão do aço, é a DHL em x = 1/3.
[0034] A Figura 2 é uma representação das estruturas cristalinas de LiFePO4 e FePO4.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0035] As baterias recarregáveis de íon de lítio existentes são amplamente usadas em uma variedade de dispositivos e aplicações, porém, apresentam várias desvantagens. Por exemplo, essas baterias não são muito “favoráveis ao meio ambiente” e podem necessitar que sejam tomadas algumas precauções específicas durante a reciclagem. Esse tipo de bateria também requer um período de carregamento relativamente longo. Adicionalmente, tem um alto custo associado ao lítio, devido à raridade do depósito mineral de lítio a partir do qual é obtido.
[0036] Uma primeira geração de bateria de íon de lítio comercializada em 1991 pela Sony é baseada na troca reversível de íon de lítio entre um cátodo (por exemplo, um óxido de metal de transição de lítio, como dióxido de lítio cobalto ou óxido de lítio manganês) e um ânodo de grafite. O uso de um eletrólito aprótico (ou seja, um eletrólito que não tem átomos de hidrogênio ácidos), como o sal LiPF6 dissolvido em uma mistura de carbonato de etileno e propileno ou tetra-hidrofurano, é necessário para evitar a degradação dos eletrodos muito reativos. A principal vantagem de tais baterias é sua velocidade relativa de carga-descarga em amplitudes limitadas; por conseguinte, as mesmas são essencialmente usadas para dispositivos eletrônicos, mas também carros híbridos. Infelizmente, as mesmas não suportam descargas pesadas, pois isso resulta em sua rápida deterioração.
[0037] Uma segunda geração de baterias de íon-lítio, conhecidas como baterias de fosfato de ferro-lítio, usam um cátodo LiFePO4 e um ânodo de grafite. As mesmas são muito difundidas na robótica devido às vantagens de terem uma densidade de energia ligeiramente superior à das baterias LiCoO2, mas que fica três vezes menor do que as baterias clássicas de chumbo, devido à densidade do chumbo em comparação com a do ferro. As mesmas suportam muito mais ciclos de carga do que outras baterias de íon de lítio e, portanto, têm uma vida útil longa; também não é necessário fomentar cargas parciais (isto é, fomentar o carregamento da bateria para menos de 100%, ou para evitar a descarga completa da bateria). As mesmas suportam altas intensidades de corrente (amperes), o que permite que as mesmas produzam muita energia e sejam recarregadas de maneira rápida. As mesmas apresentam menos risco de incêndio do que outras baterias de íon de lítio e podem ser usadas até uma temperatura de 70 ºC. Além disso, a estabilidade da tensão produzida é muito alta durante substancialmente todo o ciclo de descarga. Finalmente, as baterias de fosfato de ferro-lítio são menos poluentes, pois duram muito mais e porque a exposição ao chumbo pode causar envenenamento por chumbo (também conhecido como saturnismo), e podem ser armazenadas por um período mais longo devido ao seu declínio mais lento na densidade de energia. A principal desvantagem das baterias de fosfato de ferro-lítio é que a velocidade de descarga diminui fortemente em cerca de 80% da descarga. Adicionalmente, há um alto custo associado ao lítio, devido à raridade do depósito mineral de lítio do qual é obtido. O lítio também é perigoso para a saúde, mesmo em pequenas quantidades.
[0038] A estrutura de cristal do composto mineral ativo LiFePO4 é idêntica àquela da olivina, que é produzida a partir de octaedros e tetraedros entrelaçados (consulte a Figura 2). A estrutura exibe canais através dos quais os íons Li+ podem migrar, apesar de seu tamanho significativo. As distorções devido às tensões que o material sofre fazem com que os canais não permaneçam perfeitamente retos; portanto,
torna-se cada vez mais difícil introduzir íons Li+ durante a descarga, o que também limita a velocidade dos ciclos de carga-descarga.
[0039] O composto ativo das baterias de fosfato de ferro-lítio pode ser escrito como FeII(1-x) FeIIIx Li(1-x) PO4. Em seu estado férrico, quando completamente carregado em x = 1, é FeIII PO4; enquanto em seu estado ferroso em x = 0, quando completamente descarregado, é Li FeII PO4.
[0040] A extração de lítio de Li FeII PO4 para carregar o cátodo pode ser escrita:
[0041] Carga: Li FeII PO4 -x Li+ - x e- →x FeIII PO4 + (1-x) Li FeII PO4
[0042] A inserção de lítio em FeIII PO4 para descarregar o cátodo torna-se:
[0043] Descarga: FeIII PO4 + x Li+ + x e- → x Li FeII PO4 + (1-x) FeIII PO4
[0044] Os exemplos de oxi-hidroxissais ferrosos-férricos que estão relacionados à família de hidróxidos duplos em camadas são descritos na Patente nº U.S.
9.051.190, cuja revelação é incorporada por referência no presente documento e anexada ao mesmo como Anexo A). Esses compostos de hidróxido de dupla camada ("DLH") são produzidos a partir de camadas que compreendem cátions bi e trivalentes que ficam no centro do octaedro, cujos ápices são ocupados por íons de hidroxila (OH-). Entre essas camadas (que são idênticas às observadas em FeII (OH)2), as camadas intermediárias, que compreendem ânions e moléculas de água, são intercaladas; isso induz uma mistura de cátions bi- e trivalentes para equilibrar as cargas. Entre todos os DLHs possíveis, o caso especial em que os cátions bivalentes e trivalentes pertencem ao mesmo elemento produz novas propriedades mais interessantes do ponto de vista tecnológico. No caso do ferro, obtém-se uma família de compostos ferrosos-férricos - chamados de “ferrugens verdes” por aparecerem durante o processo de corrosão dos aços. Essas “ferrugens verdes” podem sofrer rápida oxidação quando expostas ao peróxido de hidrogênio, H2O2; essa oxidação prossegue in situ por desprotonação de íons OH- para obter um composto completamente férrico, em que a estrutura cristalina inicial é totalmente conservada.
Dentre todos os ânions possíveis de serem intercalados, os íons de carbonato CO32- foram escolhidos em função de sua estabilidade. A fórmula é FeIII6 O12 H8 CO3. Tal composto ativo é produzido pela coprecipitação de dois sais, um dos quais é ferroso e o outro é férrico, de acordo com o método "clássico" para qualquer síntese de "ferrugem verde carbonatada" em que a razão molar férrica x = {[Fe3+] / ([Fe2+] + [Fe3+])} é 1/3, que corresponde a uma fórmula FeII4 FeIII2 (OH)12 CO3. A coprecipitação é feita em um porta-luvas sob uma atmosfera de nitrogênio, e o peróxido de hidrogênio é vertido de uma só vez em abundância para se obter a forma férrica FeIII6 O12 H8 CO3. Os ciclos voltamétricos detectam o fenômeno de protonação-desprotonação do composto, que leva à fórmula geral FeII6(1-x) FeIII6x O12 H2(7-3X) CO3, em que x é de 0 a 1. Em seu estado férrico completamente carregado em x = 1, a fórmula é FeIII6 O12 H8 CO3, enquanto em seu estado ferroso completamente descarregado em x = 0, é FeII6 O12 H14 CO3. Uma analogia pode ser traçada com o caso do cátodo de Li Fe PO4, com o próton H +, que toma o lugar do íon de lítio Li+.
[0045] A desprotonação de íons OH- em FeII6 O12 H14 CO3 para carregar o eletrodo pode ser escrita:
[0046] Carga: FeII6 O12 H14 CO3 - 6x H+ - 6x e- → x FeIII6 O12 H8 CO3 + (1-x) FeII6 O12 H14 CO3
[0047] A protonação de íons O2- ou OH- em FeIII6 O12 H8 CO3 para descarregar o eletrodo torna-se:
[0048] Descarga: FeIII6 O12 H8 CO3 + 6x H+ + 6x e- → x FeII6 O12 H14CO3 + (1-x) FeIII6O12H8CO3
[0049] O composto ativo de um eletrodo de bateria é, por conseguinte, obtido. No entanto, ao contrário do caso das baterias de fosfato de ferro-lítio, não é possível usar um grafite (como composto de inserção) para o segundo eletrodo.
[0050] Seria, portanto, desejável, e é um objetivo da presente revelação, fornecer um segundo eletrodo que pode ser usado com um eletrodo que compreende o composto FeII6(1-x) FeIII6x O12 H2(7- 3x) CO3, acima.
[0051] A presente revelação descreve um novo material que tem uma estrutura do tipo hidróxido de camada dupla, que pode ser usado como o segundo eletrodo em dispositivos de armazenamento de energia que empregam um composto do tipo hidróxido de camada dupla de fórmula FeII6(1-x) FeIII6x O12 H2(7-3x) CO3 no primeiro eletrodo do mesmo.
[0052] O material tem a fórmula geral[NiII8(1-x) NiIII8x- O16 H2(9-4x)]2+ A2- , em que x é de 0 a 1, e A2- é um ânion de carga -2. Em particular, A2- pode ser CO32-.
[0053] Em particular, o material pode ter a fórmula [NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x)]2+ CO32- (também escrita como NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x) CO3). Em seu estado completamente oxidado em x = 1 (isto é, seu estado completamente carregado quando é o material ativo de um cátodo em um dispositivo de armazenamento de energia), o material tem a fórmula NiIII8 O16 H10 CO3. Em seu estado completamente reduzido. em x = 0 (isto é, seu estado completamente descarregado quando é o material ativo de um cátodo em um dispositivo de armazenamento de energia), o material tem a fórmula NiII8 O16 H18 CO3.
[0054] A desprotonação de íons OH- em NiII8 O16 H18 CO3 para carregar o eletrodo é escrita:
[0055] Carga: NiII8 O16 H18 CO3 - 8x H+ - 8x e- → x NiIII8 O16 H10 CO3 + (1-x) NiII8 O16 H18 CO3
[0056] A protonação de íons O2- ou OH- em NiIII8 O16 H10 CO3 para descarregar o eletrodo agora está escrita:
[0057] Descarga: NiIII8 O16 H10 CO3 + 8xH+ + 8x e- → x NiII8 O16 H18 CO3 + (1-x) NiIII8 O16 H10CO3
[0058] Em um dispositivo de armazenamento de energia que compreende tanto um eletrodo contendo DLH NiII-NiIII quanto um eletrodo contendo DLH FeII-FeIII, como descrito acima, a razão molar trivalente é x = {[MIII] / ([MII] + [MIII])} (em que MII e MIII são um metal nos estados divalente e trivalente, respectivamente) e, quando um eletrodo tem x = 1, o outro tem x = 0 (e vice-versa).
[0059] Qual eletrodo será o cátodo e qual será o ânodo em tal dispositivo de armazenamento de energia pode ser determinado, experimentalmente (e é provável que dependa dos níveis de Fermi e zonas de Brillouin para o DLH de NiII-NiIII e para o DLH de FeII-FeIII).
[0060] Se o cátodo for o eletrodo, que contém DLH NiII-NiIII, então, a descarga do cátodo pode ser escrita:
[0061] NiIII8 O16 H10 CO3 + 8x H+ + 8x e- → x NiII8 O16 H18 CO3 + (1-x) NiIII8 O6 H10 CO3, em que a reação correspondente no ânodo é:
[0062] FeII6 O12 H14CO3 - 6x H+ - 6x e- → x FeIII6 O12 H8 CO3 + (1-x) FeII6 O12 H14 CO3O equilíbrio das cargas fornece:
[0063] 3 NiIII8 O16 H10 CO3 + 4 FeII6 O12 H14 CO3 → 3x NiII8 O16 H18 CO3 + 3(1-x) NiIII8 O6 H10 CO3 + 4x FeIII6 O12 H8 CO3 + 4(1-x) FeII6 O12 H14 CO3Por conseguinte, no caso acima, o cátodo é NiIII8 O16 H10 CO3 e o ânodo é FeII6 O12 H14 CO3.
[0064] Se, por outro lado, o cátodo for o eletrodo, que contém DLH FeII-FeIII, então, a descarga do cátodo pode ser escrita:
[0065] FeIII6 O12 H8 CO3 + 6x H+ + 6x e- → x FeII6 O12 H14 CO3 + (1-x) FeIII6 O12 H8 CO3
[0066] em que a reação correspondente no ânodo é:
[0067] v
[0068] O equilíbrio das cargas fornece:
[0069] 4 FeIII6 O16 H8 CO3 + 3 NiII8 O16 H18 CO3 → 4x FeII6 O12 H4 CO3 + 4(1-x) FeIII6 O12 H8 CO3 + 3x NiIII8 O16 H10 CO3 + 3(1-x) NiII8 O16 H18 CO3
[0070] Por conseguinte, nesse caso, o cátodo é FeIII6 O16 H8 CO3 e o ânodo é NiII8 O16 H18 CO3.
[0071] Em algumas modalidades, o eletrólito no dispositivo de armazenamento de energia pode ser um tampão de CO32- /HCO3- com um pH básico, por exemplo, pH de 8 a 12 ou 9 a 11. Em algumas modalidades, o tampão pode ter um pH de cerca de 10. Uma vantagem apreciável de usar tal eletrólito é que estudos anteriores do diagrama de Eh-pH, realizados a fim de compreender o processo de corrosão de ferro e aço, mostraram que o composto de "ferrugem verde", que passa por protonação-desprotonação, é muito estável nesse pH básico, enquanto se dissolve em pH 4. A preparação dos produtos ativos[NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4X)]2+ CO32- , pela reação de coprecipitação descrita acima, resulta um produto com um tamanho de cristal da ordem de um décimo do micrômetro (por exemplo, 50 a 150 nm, 75 a 125 nm ou cerca de 100 nm). Portanto, esses cristais devem ser eletricamente conectados uns aos outros com uma resina condutora, que forma um material compósito. As resinas, que contêm grafite (que compreendem um ligante e grafite) são comumente usadas para todas as baterias no mercado, incluindo baterias Li Fe PO4, e podem ser usadas para os eletrodos do presente pedido.
[0072] O material de NiII 8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x) CO3, descrito acima, pode ser obtido sintetizando o hidróxido de camada dupla apropriado e, então, imediatamente, oxidando-o por desprotonação in situ com peróxido de hidrogênio. Os ânions de carbonato CO32- são, novamente, escolhidos para intercalação, e a razão x = {[Ni3+] / ([Ni2+] + [Ni3+])} é igual a 1/4. Um mineral, denominado takovite e que tem a fórmula NiII6 AlIII2 (OH)16 CO3, 4H2O, existe no ambiente natural e é encontrado em depósitos de níquel, por exemplo, na Nova Caledônia. Foi constatado que esse composto pode ser sintetizado em laboratório por coprecipitação de sais NiII e AlIII. Os presentes inventores constataram que uma coprecipitação análoga de sais de NiII e NiIII sob uma atmosfera livre de oxigênio, por exemplo, uma atmosfera de nitrogênio, resulta no composto de hidróxido de camada dupla NiII6 NiIII2 (OH)16 CO3. A oxidação imediata desse composto sintético com o uso de peróxido de hidrogênio suficiente novamente sob uma atmosfera livre de oxigênio (por exemplo, atmosfera de nitrogênio) resulta em um novo composto completamente oxidado, NiIII8 O16 H10 CO3. Esse composto pode, então, ser exposto ao ar sem qualquer deterioração. Esse composto pode ser usado como o segundo eletrodo de uma bateria de Próton Fe-Ni, isto é, uma bateria em que o primeiro eletrodo contém o composto FeII6(1-x) FeIII6x O12 H2(7-3x) CO3 (em que x é de 0 a 1), como descrito acima. O estado divalente é alcançado automaticamente ao carregar o eletrodo (consulte a curva voltamétrica da Figura 1).
[0073] O composto NiIII8 O16 H10 CO3 pode ser incorporado dentro de uma primeira resina condutora à base de grafite (como aquela disponível junto à Merken, anteriormente conhecida como Carbone-Lorraine), e o composto FeII6(1-X) FeIII6X O12 H2(7-3X) CO3 pode ser incorporado dentro de uma segunda resina condutora à base de grafite. Isso fornece aos compostos a resistência mecânica para constituir dois eletrodos (cuja forma, volume, profundidade e superfície são adequados para uso em dispositivos de armazenamento de energia para aplicações como dispositivos eletrônicos, veículos elétricos, etc.). Esses eletrodos podem, então, ser usados em um dispositivo de armazenamento de energia, com o uso de um eletrólito que é um tampão de CO32-/HCO3-, que tem um pH básico, por exemplo, um pH de 8 a 12 ou 9 a 11. Em algumas modalidades, o tampão pode ter um pH de cerca de
10.
[0074] Vários pares de eletrodos podem ser colocados em série (como em outras baterias) para aumentar a potência do dispositivo de armazenamento de energia.
[0075] A citação de publicações e documentos de patentes não se destina a ser uma admissão de que alguma técnica anterior é pertinente, nem constitui qualquer admissão quanto ao conteúdo ou data dos mesmos. Os indivíduos versados na técnica reconhecerão que as invenções descritas no presente documento podem ser praticadas em uma variedade de modalidades, e que a descrição anterior e os exemplos abaixo são para fins de ilustração e não de limitação das reivindicações a seguir.
[0076] Todas as definições, como definidas e usadas, no presente documento, devem ser entendidas como exercendo controle em relação às definições de dicionário, definições em documentos incorporados por referência e/ou significados comuns dos termos definidos.

Claims (26)

REIVINDICAÇÕES
1. Composto caracterizado pelo fato de que tem a fórmula: [NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x)]2+ A2-, em que x é de 0 a 1, e A2- é um ânion de carga -2, em que o composto tem uma estrutura do tipo hidróxido de camada dupla.
2. Composto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que A2- é CO32-.
3. Composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o composto é caracterizado pelo fato de que está na forma de cristais que têm um tamanho de cristal de 50 nm a 1.500 nm.
4. Composto, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os cristais têm um tamanho de cristal de cerca de 100 nm.
5. Composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é para uso em um eletrodo de um dispositivo de armazenamento de energia.
6. Material para um eletrodo de um dispositivo de armazenamento de energia, sendo que o material é caracterizado pelo fato de que compreende um composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4.
7. Material, de acordo com a reivindicação 6, em que o material é caracterizado pelo fato de que é um material compósito que compreende ainda um ligante.
8. Material, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o material compreende ainda um grafite.
9. Eletrodo para um dispositivo de armazenamento de energia caracterizado pelo fato de que compreende o material, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8.
10. Eletrodo, de acordo com a reivindicação 9, em que o eletrodo é caracterizado pelo fato de que é um cátodo na descarga do dispositivo de armazenamento de energia.
11. Elétrodo, de acordo com a reivindicação 9, em que o eletrodo é caracterizado pelo fato de que é um ânodo na descarga do dispositivo de armazenamento de energia.
12. Dispositivo de armazenamento de energia caracterizado pelo fato de que compreende o eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11.
13. Dispositivo de armazenamento de energia, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um segundo eletrodo que compreende um composto de fórmulaFeII6(1-y) FeIII6y O12 H2(7-3y) CO3, em que y é de 0 a 1.
14. Dispositivo de armazenamento de energia, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que x é 1 e y é 0.
15. Dispositivo de armazenamento de energia, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que x é 0 e y é 1.
16. Dispositivo de armazenamento de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 15, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um eletrólito que é um tampão de CO32-/HCO3-.
17. Dispositivo de armazenamento de energia, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o eletrólito tem um pH de cerca de 8 a cerca de 12.
18. Dispositivo de armazenamento de energia, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o eletrólito tem um pH de cerca de 10.
19. Método de preparação de um composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que o método é caracterizado pelo fato de que compreende: (a) coprecipitação de um sal NiII e um sal NiIII sob uma atmosfera livre de oxigênio, em que uma razão x = {[Ni3+] / ([Ni2+] + [Ni3+])} é igual a 1/4 para fornecer um composto de fórmula NiII6 NiIII2 (OH)16 CO3; e (b) desprotonação do composto de fórmula NiII6 NiIII2 (OH)16 CO3 por adição de peróxido de hidrogênio sob uma atmosfera livre de oxigênio, para obter o composto NiIII8 O16H10 CO3.
20. Método de preparação de um dispositivo de armazenamento de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 18, caracterizado pelo fato de que compreende: (a) preparar um composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, pelo método, de acordo com a reivindicação 19; (b) combinar o composto obtido na etapa (a) com um grafite e um primeiro ligante para formar um primeiro material compósito. (c) preparar um primeiro eletrodo do primeiro material compósito. (d) fornecer um segundo eletrodo que compreende um segundo material compósito, em que o segundo material compósito compreende grafite, um segundo ligante e um composto de fórmulaFeII6(1-y) FeIII6y O12 H2(7-3y) CO3, em que y é de 0 a 1; (e) fornecer um eletrólito que é um tampão de CO32-/HCO3- que tem um pH de cerca de 8 a cerca de 12; e (f) montar o primeiro eletrodo, o segundo eletrodo e o eletrólito para fornecer o dispositivo de armazenamento de energia.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que x em NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x) CO3 é 1 e y em FeII6(1-y) FeIII6y O12 H2(7-3y) CO3 é 0.
22. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que x em NiII8(1-x) NiIII8x O16 H2(9-4x) CO3 é 0 e y em FeII6(1-y) FeIII6y O12 H2(7-3y) CO3 é 1.
23. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo estão, inicialmente, no estado trivalente.
24. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 23, caracterizado pelo fato de que o primeiro ligante é uma resina.
25. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 24, caracterizado pelo fato de que o segundo ligante é uma resina.
26. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 25, caracterizado pelo fato de que o tampão tem um pH de cerca de 10.
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