BRPI1014534B1

BRPI1014534B1 - célula eletroquímica de metal-ar a baixa temperatura e método de operar uma célula eletroquímica de metal-ar

Info

Publication number: BRPI1014534B1
Application number: BRPI1014534-6A
Authority: BR
Inventors: Cody A. Friesen; Daniel Buttry
Original assignee: Arizona Board Of Regents Acting For And On Behalf Of Arizona State University
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2020-06-30
Also published as: AU2010247863C1; WO2010132357A1; TW201112467A; AU2010247863B2; CA2761084A1; BRPI1014534A2; JP2012527090A; EP2430698B1; ZA201107794B; JP5986505B2; US8895197B2; CA2761084C; CN102742069A; CN102742069B; US20100285375A1; TWI484683B; EP2430698A1; AU2010247863A1

Abstract

A presente invenção refere-se a uma célula eletroquímica de metal-ar (10) em que e empregado um líquido iônico de baixa temperatura (16) que compreende um eletrodo de combustível flexível (12) para oxidar un combustível metálico, um eletrodo de ar flexível (14) para absorver a reduzir o oxigênio gasoso e um meio ionicamente conduto compreendendo um líquido iônico a baixa temperatura (16) com um ponto de fusão a 150° C ou abaixo desta temperatura a 101.325 kPa (1 atm), estando encerrando num espaço (18) entre o eletrodo de combustível flexível (12) e o eletrodo de ar (14 para condução de ions para suporte de reações eletroquímicas nos eletrodo de combustível (12) e de ar (14) em que o eletrodo de combustível flexível (12) e o eletrodo de ar (14) flexível são dispostos numa configuração não linear compacta com um: superfície externa (26) do eletrodo do ar (14) exposta para absorver oxigênio gasoso, a invenção refere-se ainda a uma método de operar uma célula eletroquímica de metal-ar (10) compreendendo a oxidação do combustível metálico no eletrodo de combustíve (12), a redução de oxigênio gasoso absorvido no eletrodo de ar (14) e a condução de ions dentro do líquido iônico (16) para (...).

Description

CÉLULA ELETROQUÍMICA DE METAL-AR A BAIXA TEMPERATURA E MÉTODO DE OPERAR UMA CÉLULA ELETROQUÍMICA DE METAL-AR

Informação Prioritária

[001] O presente pedido de patente reivindica prioridade para o Pedido Provisório U.S. N° de série 61/177.072, depositado em 11 de maio de 2009, e Pedido Provisório U.S. N°. de série 61/267.240, depositado em 7 de dezembro de 2009, estando cada um deles integralmente incorporado.

Campo da Invenção

[002] A presente invenção refere-se a uma célula de metal-ar eletroquímica em que se emprega um líquido iônico a baixa temperatura.

Antecedentes da Invenção

[003] Baterias de metal-ar incluem, tipicamente, um eletrodo de combustível em que o combustível metálico é oxidado, um eletrodo de ar em que o oxigênio é reduzido e uma solução eletrolítica para realizar condutividade iônica. Um fator limitante significativo com baterias de metal-ar é a evaporação da solução eletrolítica, particularmente a evaporação do solvente em volume, como água numa solução aquosa eletrolítica. Devido ao eletrodo do ar ser necessário para ser permeável ao ar, a fim de absorver oxigênio, pode também permitir que o vapor do solvente como vapor d'água, escape da célula. Com o tempo, a célula torna-se incapaz de operar eficazmente devido a este problema. De fato, em muitos projetos de célula, este problema de evaporação torna a célula inoperante antes do combustível ser totalmente consumido, sendo este problema exacerbado em células secundárias, (ou seja, recarregáveis), devido ao combustível poder ser recarregado repetidamente, pela vida útil da célula, enquanto que, a solução eletrolítica não se comporta igualmente, (reabastecimento ausente de uma fonte externa). Ainda, em células recarregáveis o solvente aquoso é tipicamente oxidado para desprender oxigênio durante a recarga o que pode ainda esgotar a solução.

[004] A fim de compensar este problema, baterias de metal-ar com soluções aquosas eletrolíticas são tipicamente projetadas contendo um volume relativamente alto de solução eletrolítica. Alguns desenhos de célula incorporam meios para reabastecer o eletrólito de um reservatório adjacente mantendo o nível de eletrólitos. Contudo, quaisquer dessas tentativas aumentam significativamente, o tamanho geral da célula bem como o peso da célula, sem incrementar o desempenho da célula (exceto pela garantia de que haverá um volume suficiente de solução eletrolítica para compensar a evaporação de água ou de outro solvente com o tempo). De modo específico, o desempenho da célula é, em geral determinado pela característica do combustível, das características do eletrodo, das características eletrolíticas e da quantidade de área superficial do eletrodo disponível para que as reações ocorram. No entanto, o volume da solução eletrolítica na célula geralmente não tem um efeito benéfico significativo no desempenho da célula, e assim, em geral, apenas diminui o desempenho da célula, em termos de relações baseadas no volume e no peso (potência para volume ou peso, e energia para volume ou peso). Além disso, um volume excessivo de eletrólito pode criar uma proporção maior de espaçamento entre os eletrodos, o que pode aumentar a resistência iônica e diminuir o desempenho.

Sumário da Invenção

[005] Um aspecto da presente invenção propõe uma célula metal-ar eletroquímica compreendendo um eletrodo combustível para oxidar um combustível metálico, um eletrodo de ar para absorver e reduzir oxigênio gasoso; e um meio ionicamente condutor compreendendo um líquido iônico de baixa temperatura tendo um ponto de fusão de 150°C ou abaixo desta temperatura a 1 atm. O líquido iônico está encerrado num espaço entre um eletrodo de combustível e o eletrodo de ar para condução de íons para suporte de reações eletroquímicas nos eletrodos de combustível e de ar.

[006] Um outro aspecto da presente invenção propõe um método de operar uma célula eletroquímica metal-ar. A célula compreende: (i) um eletrodo de combustível para oxidar um combustível metálico; (ii) um eletrodo de ar para absorver e reduzir o oxigênio gasoso; e (iii) um meio ionicamente condutor compreendendo um líquido iônico de baixa temperatura com um ponto de fusão na temperatura de 150°C ou abaixo desta, a 1 atm., estando o líquido iônico encerrado num espaço entre o eletrodo de combustível e o eletrodo de ar para condução de íons para suporte das reações eletroquímicas nos eletrodos de combustível e de ar. O método compreende: oxidação do combustível metálico no eletrodo de combustível; redução do oxigênio gasoso absorvido no eletrodo de ar; e condução de íons dentro do líquido iônico para suporte de reações eletroquímicas nos eletrodos de combustível e eletrodos de ar. O método é realizado com o líquido iônico a uma temperatura em seu ponto de fusão ou abaixo deste.

[007] Ainda um outro aspecto da presente invenção propõe uma célula de metal-ar eletroquímica compreendendo um eletrodo de combustível flexível para oxidação de um combustível metálico; um eletrodo de ar flexível para absorver e reduzir o oxigênio gasoso ; e um meio ionicamente condutor compreendendo um líquido iônico a baixa temperatura tendo um ponto de fusão na temperatura de 150°C ou abaixo desta, a 1 atm. encerrado num espaço entre o eletrodo de combustível flexível e o eletrodo de ar para condução de íons para suporte de reações eletroquímicas nos eletrodos de combustível e de ar. O eletrodo de combustível flexível e o eletrodo de ar flexível estão dispostos numa configuração não linear compacta com uma superfície externa do ele- trodo de ar exposta par absorver o oxigênio gasoso. Uma tal configuração compacta não linear, pode incluir uma raspagem num rolo cilíndrico ou não cilíndrico, ou dobradura num modo alternativo, por exemplo.

[008] Para a finalidade deste pedido de patente, um líquido iônico a baixa temperatura é indicado como líquido iônico tendo um ponto de fusão na temperatura de 150°C ou abaixo desta a 1 atm de pressão. Esses líquidos iônicos de baixa temperatura também podem incluir as espécies conhecidas como líquidos iônicos a temperatura ambiente, acentuados como líquidos iônicos com um ponto de fusão na temperatura de 100°C ou abaixo desta, a 1 atm. Líquidos iônicos também são referidos como sais líquidos. Por definição, um líquido iônico é composto principalmente de ânions e cátions do sal. Embora um líquido iônico possa ser, propriamente um solvente com relação a um ou mais de outros produtos solúveis presentes no líquido iônico, tais como um aditivo ou subproduto de reagente criado pela operação da célula, um líquido iônico não exige o uso doe um solvente para dissolver o sal, porque o próprio líquido é "autossolúvel" , ou seja, trata-se de um líquido dos ânions e cátions do sal eletrolítico por sua própria natureza, e o emprego de um solvente separado para dissolver o sal não se faz necessário.

[009] Contudo, mesmo que os líquidos iônicos a baixa temperatura ou a temperatura ambiente sejam indicados por seus respectivos pontos de fusão a 1 atm, em algumas modalidades, a célula pode ser operada num meio com um diferencial de pressão e assim, o ponto de fusão pode variar juntamente com a pressão operante. Portanto, a referência a um ponto de fusão a 1 atm. é usada como um ponto de referencia para indicar esses líquidos, não implicando ou limitando suas condições de uso real em operação.

[0010] Ainda um outro aspecto da invenção é a provisão de uma célula metal-ar eletroquímica compreendendo um eletrodo de combustível para oxidação de um combustível metálico; um eletrodo de ar para absorver e reduzir oxigênio gasoso; e um meio ionicamente condutor com um ponto de fusão na temperatura de 150°C ou abaixo desta a 1 atm, e uma pressão de vapor em 1 mm Hg ou abaixo desta, a 20°C acima de seu ponto de fusão; O meio ionicamente condutor está condito num espaço entre o eletrodo de combustível e o eletrodo de ar para conduzir os íons para suporte de reações eletroquímicas nos eletrodos de combustível e de ar.

[0011] Outros objetivos, aspectos característicos e vantagens da presente invenção tornar-se-ão evidentes a partir da descrição detalhada, dos desenhos anexos e das reivindicações apensas.

Breve Descrição dos Desenhos

[0012] A figura 1 é uma vista explodida de uma célula de acordo com uma modalidade da invenção;

[0013] A figura 2 é uma vista em seção transversal ampliada do cilindro usado na célula, permitindo que as camadas sejam vistas mais facilmente;

[0014] A figura 3 é uma outra vista ampliada da célula da figura 1, mostrando seu fluxo de ar;

[0015] A figura 4 é uma vista semelhante à figura 3 mostrando uma modalidade alternativa;

[0016] A figura 5 é uma vista mostrando uma configuração não linear alternativa compacta para a célula;

Descrição Detalhada da Invenção

[0017] O presente pedido descreve uma célula eletroquímica de metal-ar 10. A célula 10 pode ter qualquer construção ou configuração e os exemplos aqui descritos não são limitantes. A célula 10 pode ser projetada para ter seus eletrodos dispostos numa configuração compacta como uma configuração cilíndrica como visto nas figuras. Em geral, a célula 10 compreende um eletrodo de combustível flexível 12 para receber um combustível metálico, um eletrodo de ar flexível 14, e um meio condutor iônico compreendendo um líquido iônico de baixa temperatura 16 (que pode ser um líquido iônico a temperatura ambiente) encerrado num espaço 18 entre o eletrodo de combustível flexível 12 e o eletrodo de ar 14. O líquido iônico 16 fica em contato com as superfícies internas 20, 22 dos eletrodos de combustível e de ar, respectivamente. Numa modalidade arquitetural da invenção, o meio ionicamente condutor pode ser de quaisquer tipos aqui mencionados.

[0018] Em algumas modalidades não limitantes, uma substância que pode ser vista em alguns contextos como um solvente pode ser adicionada em quantidades relativamente pequenas ao líquido iônico, seja para intensificar a solubilidade dos solutos no líquido iônico, como um aditivo ou como um subproduto criado no líquido iônico pela operação da célula, ou para obter uma funcionalidade que não de solvente, como promoção de algumas reações eletroquímicas ou transporte de íons. Assim, o uso de um líquido iônico não exclui inteiramente a presença de uma substância que pode ser considerada como solvente em outros contextos, ou agir como um solvente com relação a solutos no líquido iônico, mas devido a não ser necessário um solvente para dissolver um líquido iônico, ele pode ser empregado numa quantidade substancialmente menor em comparação com sais eletrolíticos convencionais que exigem um solvente em bruto para dissolução do sal, propriamente, tal como soluções aquosas eletrolíticas. Na verdade, em algumas modalidades não limitantes é possível que não se adicione nenhum solvente. Em algumas modalidades não limitantes, o meio io- nicamente condutor entre os eletrodos de combustível e de ar pode ser um líquido iônico puro a baixa temperatura, ou seja, consistir do líquido iônico. Em outras modalidades não limitantes, ele pode consistir, essencialmente, do líquido iônico, significando, para a finalidade deste pedido que ele pode incluir o líquido iônico e uma ou mais de outras substâncias que não realizam materialmente sua característica de ser um líquido iônico. Assim, o termo "consistindo essencialmente de” abrange, expressamente, a adição de um ou mais aditivos para intensificar a funcionalidade de transporte iônico do líquido iônico, suportar as reações eletroquímicas da célula e/ou intensificar a solubilidade dos solutos no líquido iônico, porém excluindo o uso de um solvente em volume necessário para dissolver o sal, como é o caso com soluções aquosas eletrolíticas. Naturalmente, que, qualquer presença de subprodutos de reação ou ions no líquido iônico, seria permitida seja em modalidades consistindo do líquido iônico, ou em modalidades consistindo essencialmente, do líquido iônico, como a real natureza do líquido iônico ser para promover o transporte e/formação de subprodutos. O termo "isento de solvente" ou "destituído de solvente" podem ser usados na caracterização do líquido iônico, sendo que esta terminologia fica entendido como (a) excluindo apenas um solvente em bruto, proposto para fim de dissolver o líquido iônico e não excluindo o próprio líquido iônico, que pode agir como um solvente com relação a uma outra substância (por exemplo, um aditivo ou subprodutos de reação da célula); e (b) não exclui a presença de um ou mais aditivos para intensificar a funcionalidade do transporte iônico do líquido iônico, suportar as reações eletroquímicas da célula e/ou intensificar a solubilidade dos solutos no líquido iônico, ,mesmo se esse aditivo pudesse ser considerado, teoricamente, como um solvente em outros contextos ou com relação a solutos no líquido iônico, porém sem funcionalidade para fins de dissolução do líquido iônico (por exemplo, em algumas modalidades, água na faixa de 10-100 ppm pode ser empregada para promover as reações eletroquímicas aumentando a disponibilidade de prótons para apoio da reações de oxirredução, porém a água não funcionando como um solvente com relação ao líquido iônico, embora possa funcionar como um solvente em outros tipos de eletrólitos, ou seja, eletrólitos aquosos).

[0019] Os eletrodos de combustível e de ar 12, 14 são cada qual, configurados para evitar ou evitar essencialmente, a permeação de líquido do líquido iônico 16 através deles, via superfícies externas 24, 26 dos mesmos. OU seja, os materiais de eletrodo são selecionados para evitar, ou evitar essencialmente, que o líquido iônico 16 permeie na forma de líquido através da espessura dos eletrodos 12, 14 de modo a vazar do espaço por essa permeação de líquido. O termo "evitar essencialmente” reconhece o fato de que alguma permeação pequena de líquido possa ocorrer, na medida em que a porosidade empregada para permitir que a permeação de ar/oxigênio permita pequenas quantidades de líquido, porém “evitar essencialmente” significa que a permeação de líquido que ocorre não é substancial tendo pouco ou nenhum impacto ao material na operação da célula 10.

[0020] Por ser usado um líquido iônico a baixa temperatura na célula, os problemas associados com a evaporação de um solvente volumoso de uma solução eletrolítica podem ser essencialmente eliminados. Uma das propriedades da maioria dos líquidos iônicos a baixa temperatura é que eles possuem uma pressão de vapor baixa (alguns têm uma pressão de vapor essencialmente não mensurável sob condições-padrão) sendo assim, experimentam pouca ou nenhuma evaporação. Devido a uma quantidade excessiva de solvente não precisar ser incluída na célula ou em um reservatório separado a fim de compensar a evaporação com o tempo, uma quantidade relativamente baixa de líquido iônico - possivelmente, até mesmo uma quantidade mínima suficiente para suportar as reações eletroquímicas - podem ser usadas na célula, reduzindo assim, seu peso e volume globais e aumentado sua potência para relações de volume/peso. Além disso, esta capacidade em ter menores volumes permite à célula ter um perfil mais delgado, concorde a ser disposta numa configuração compacta, como numa configuração enrolada ou dobrada.

[0021] Adicionalmente, muitos líquidos iônicos a baixa temperatura têm uma grande visão eletroquímica, ou seja, são estáveis em um grande potencial. Em algumas modalidades, isto pode minimizar ou reduzir o consumo do líquido iônico (como o que ocorre com a oxidação do solvente aquoso durante a recarga de uma célula metal-ar eletrolítica aquosa). Assim, prefere-se que ocorra a oxidação e redução consumidora do líquido iônico a potenciais anódicos e catódicos de potenciais de oxirredução, respectivamente, que ocorre durante a descarga ou recarga (caso se aplique) da célula 10. Em contraste, com as soluções aquosas eletrolíticas o solvente aquoso é tipicamente oxidado, contribuindo assim, para seu consumo.

[0022] O eletrodo de combustível 12 pode ser qualquer construção ou configuração. Por exemplo, o eletrodo de combustível 12 pode ser uma estrutura porosa com uma rede tridimensional de poros, uma tela de malha, uma série de telas de malha isoladas entre si, ou qualquer outro eletrodo adequado. O eletrodo de combustível 12 inclui um coletor de corrente, que pode ser um elemento separado, ou o corpo no qual o combustível é recebido, pode ser eletrocondutor sendo, portanto, o coletor de corrente. Preferivelmente, o eletrodo de combustível 12 é laminado, ligado ou preso a um suporte que propicia a superfície externa 14 do eletrodo de combustível 12. O suporte é líquido impermeável ou essencialmente impermeável ao líquido iônico, a fim de evitar que vaze para fora através do eletrodo de combustível 12 via sua superfície externa 24. Com maior preferência, o suporte também é impermeável ao ar, e particularmente, ao oxigênio ou outro oxidante, para evitar qualquer reação parasitica indesejável tal como redução oxidante na presença de oxidação do combustível que ocorre durante a descarga.

[0023] O combustível metálico pode ser de qualquer tipo, podendo ser eletrodepositado, absorvido, fisicamente depositado, ou de outro modo proposto, ou constituir o próprio eletrodo de combustível 12. O combustível pode ser de qualquer metal, incluindo ligas ou hidretos dos mesmos, por exemplo, compreendendo zinco, ferro, alumínio, magnésio, gálio, manganês, vanádio, lítio, ou qualquer outro metal. Conforme aqui empregado, o termo combustível de metal refere-se, amplamente a qualquer combustível que compreenda um metal, incluindo metal elementar, metal ligado numa molécula, ligas metálicas, hidretos metálicos, etc. O eletrodo de combustível pode ser formado do combustível metálico como o próprio corpo do eletrodo, em algumas modalidades.

[0024] Mais detalhes referentes a combustíveis metálicos e eletrodos de combustível podem ser vistos nos Pedidos U.S. de Patente Nos. 12/385.217, 12/385.489, 12/631.484, 61/329.278, e 61/243.970, cuja totalidade está ora incorporada a título de referência. O combustível metálico pode ser selecionado de metais de transição, (ou seja, grupo 3-12 da tabela periódica dos elementos) ou dos outros metais de pós-transição) ou seja, nos grupos 13-15, excluindo-se os metaloi- des). O combustível metálico pode ser também selecionado de metais alcalinoterrosos (ou seja, do grupo 2 da tabela periódica). O metal pode ser essencialmente, puro ou puro de modo que, toda sua massa esteja disponível como combustível para oxidação a fim de maximizar sua densidade energética.

[0025] Porquanto o lítio possa ser usado como o combustível metálico nos aspectos mais amplos da invenção, o lítio é altamente reativo, instável e difícil de se trabalhar. De fato, o lítio é altamente reativo ao ar, e baterias metal-ar são por sua própria natureza, projetadas para exposição ao ar, de modo que a reatividade do lítio impõe problemas práticos particulares que limitam seu uso.

[0026] No entanto, em algumas modalidades, a tecnologia deste pedido, pode ser, vantajosamente usada com metais que sejam mais seguros, mais estáveis e mais fáceis de trabalhar, como, por exemplo, magnésio, zinco, manganês, gálio e alumínio. Os metais dos metais alcalinoterrosos, metais de transição, e metais pós-transição tendem a ser mais estáveis do que os metais alcalinos, dos quais o lítio é um membro. Como pode ser visto a seguir, a tecnologia deste pedido permite que metais desse grupo sejam usados para conseguir uma densidade energética competitiva com a tecnologia de lítio-ar, ou lítio- ion existentes ou ainda melhor que esta, sem ter de lidar com aspectos negativos das tecnologias de lítio. Contudo, em algumas modalidades ainda, o lítio ou um outro metal alcalino pode ser o metal do combustível metálico.

[0027] O eletrodo de ar 14 é projetado para absorver ar, tipicamente ar ambiente, exposto a sua superfície externa 26 de um modo descrito a seguir. Quando o ar é exposto à superfície externa, o eletrodo de ar 14 é capaz de absorver oxigênio gasoso (ou um outro oxidante) para redução do oxigênio durante a descarga da célula 10.

[0028] O eletrodo de ar 14 pode ser produzido poroso para obter difusão de oxigênio gasoso da lateral de ar do eletrodo para os sítios de reação dentro do eletrodo e para obter condutividade iônica para reagentes e produtos de reação do lado eletrolítico do eletrodo. O eletrodo de ar pode ter um nível de solvafobicidade com o líquido iônico 16 para evitar, ou evitar essencialmente, a torcedura (ou seja, permeação do líquido) do eletrólito pela estrutura. Um coletor atual pode ser embutido no eletrodo para prover alta condutividade elétrica. Os materiais de construção podem incluir partículas de carbono: PTFE, FEP, PFA, ou um outro polímero fluorado ; eletrocatalisadores que podem ser óxidos metálicos como óxido de manganês, óxido de níquel, óxido de cobalto, ou óxidos de metal dopados; eletrocatalisadores que podem ser metais como níquel, cobalto, manganês, prata, platina, ouro, paládio ou um outro material eletrocataliticamente ativo. Observe-se que, esses exemplos não são limitantes. Mais detalhes referentes ao eletrodo de ar podem ser vistos nos pedidos de patente incorporados acima.

[0029] De preferência, a célula 10 compreende um ou mais membros de vedação (não mostrados) ao longo da periferia dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14 para vedação do espaço 18 entre os eletrodos de combustível e de ar 12, 14 para encerrar o líquido iônico 16 em seu interior. Esses membros de vedação são eletricamente isolantes para evitar condução elétrica entre os eletrodos de combustível e de ar 12, 14 (ou seja, prevenir curto). Esses membros de vedação são unidos para prender as periferias dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14 antes de serem enrolados em um cilindro 15 e assim serem também flexíveis para permitir esse enrolamento. Por exemplo, os membros de vedação podem ser grampos, soldas, estruturas pregueadas, adesivos, epóxis ou qualquer outra estrutura adequada para vedar o espaço 18.

[0030] A célula 10 também inclui um separador flexível 28 que é eletricamente isolante, como será descrito em maior detalhe a seguir.

[0031] Como visto na figura 2, o eletrodo de combustível flexível 12, o eletrodo de ar flexível 14, e o separador flexível 28 são enrolados num rolo 15 com o separador flexível 28 posicionado entre as superfícies externas 24, 26 do eletrodo de combustível 12 e o eletrodo de ar 14 a fim de evitar contato de condução elétrica entre as superfícies externas 24, 26 dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14. Ou seja, o separador 28 é colocado contra uma das superfícies externas 24, 26, e o eletrodo 12, 14 com o líquido iônico 16 encerrado entre as mesmas e o separador 28 são enrolados formando um rolo. Cada uma das estruturas enroladas no rolo possui em geral, a mesma área bidimensional e dimensões periféricas. Pode ser usado, opcionalmente, um adesivo entre o separador 28 e uma ou ambas as superfícies externas 24, 26 a fim de promover ligação e preensão do rolo contra desenrolamen- to. O meio ionicamente condutor, destituído de estruturas rígidas inflexíveis ou friáveis, como vidro e cerâmica, permite aos eletrodos e separados (caso haja algum) serem flexionados na configuração desejada como um rolo ou outra configuração.

[0032] O rolo mostrado na figura 2 é um rolo cilíndrico. Contudo este não pretende ser limitante. Por exemplo, o rolo pode ter um formato de prisma, tal como um rolo que tem qualquer seção transversal poligonal, como um triângulo, quadrado, retângulo, trapezoide, pentágono, hexágono ou qualquer outra configuração e, portanto, o termo rolo significa configurações enroladas, porém sem limitação a rolos cilíndricos. Para facilidade de referência, os termos circunferência, radial e axial podem ainda ser empregados para descrever direções relativas com respeito a esses rolos não cilíndricos, e o uso desses ermos não implica que o rolo é necessariamente cilíndrico.

[0033] O separador 28 também permite exposição do oxigênio gasoso à superfície externa 26 do eletrodo de ar 14. De modo específico, o separador 28 é projetado para permitir oxigênio (como oxigênio puro ou ar ambiente contendo oxigênio) ou um outro oxidante fluir pelo menos axialmente entre as superfícies externas 24, 26 dentro da célula 10 para exposição da superfície externa 26 do eletrodo de ar 14. O separador 28 também pode permitir o fluxo circunferencial do oxigênio ou de outro oxidante entre as superfícies externas 24, 26. Portanto, pelo permitir que o fluxo de oxigênio ou de outro oxidante fique entremeado nas superfícies externas 24, 26, o oxidante pode penetrar no rolo e ser exposto à superfície externa 26 do eletrodo de ar 14 para absorção e redução durante a descarga.

[0034] Um exemplo de um separador 28 pode ser uma folha polimérica pregueada que proporciona um espaço entre as superfícies externas 24, 26 dos eletrodos de combustível e de ar, enquanto ainda orienta o ar axialmente dentro da célula 10. Um outro exemplo é uma tela polimérica tecida onde a urdidura é significativamente mais fina em dimensão do que a trama, obtendo uma direção de fluxo preferencial entre as fibras da trama, que podem ser orientadas axialmente ou circunferencialmente dentro do rolo. Qualquer construção ou configuração pode ser empregada. A exposição do oxigênio à superfície externa do eletrodo pode ser feita propondo um espaçamento para permitir fluxo de ar aberto diretamente para a superfície externa do eletrodo, ou por permitir a permeação do ar através de um corpo poroso do separador 28.

[0035] Como opção, a célula 10 pode compreender ainda um separador interno flexível (não mostrado) que é eletroquimicamente inerte no líquido iônico e eletricamente isolante. O separador interno flexível é enrolado no rolo 15 sendo posicionado no espaço 18 entre as superfícies internas 20, 22 dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14 a fim de evitar contato de condução elétrica entre as superfícies internas 20, 22 dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14. Isto pode não ser necessário caso os eletrodos de combustível e de ar 12, 14 tenham suficiente rigidez para manter uma relação espaçada, porém prefere-se prevenir contato acidental entre eles, que poderia curto- circuitar os eletrodos 12, 14 juntos. Por exemplo, o separador interno poderia ser uma treliça de células abertas, uma tela, uma grade ou qualquer outra estrutura com suficiente flexibilidade para poder ser enrolada no rolo com os eletrodos 12, 14, permitindo ainda que o líquido iônico 16 realize condutividade iônica entre os eletrodos de combustível e de ar 12, 14.

[0036] Durante a descarga, o eletrodo de combustível 12 é configurado para oxidar o combustível de metal e o eletrodo de ar 14 é configurado para reduzir o oxigênio gasoso absorvido por sua superfície externa 26. Isto gera uma diferença de potencial entre os eletrodos de combustível e de ar 12, 14 para condução de corrente para uma carga, e o líquido iônico 16 conduz os íons para suporte de reações eletro- químicas nos eletrodos de combustível e de ar 12, 14. Especificamente, os eletrodos 12, 14 são ligados à carga, como pelos terminais conectados aos coletores de corrente dos eletrodos 12, 14. A oxidação do combustível no eletrodo de combustível 12 libera elétrons quando a corrente flui para orientar a carga e proporcionar uma espécie oxidada do combustível para o líquido iônico 16. O eletrodo de ar 14 recebe os elétrons da carga, e reduz o oxigênio que ele absorveu gerando uma espécie oxidante reduzida para reação com as espécies de combustível oxidadas, criando assim, um subproduto óxido metálico. Pode-se fazer referência aos vários pedidos de patente ora incorporados para mais referencias específicas de reações que não precisam ser descritas mais detalhadamente no presente.

[0037] O líquido iônico 16 pode ter uma pressão de vapor igual ou menor do que 1 mmHg a 20°C acima do ponto de fusão do líquido iônico a 1 atm. Com maior preferência, ele tem uma pressão de vapor igual ou menor do que 0.5 mm Hg ou 0.1 mm Hg a 20°C acima do ponto de fusão do líquido iônico a 1 atm. Com maior preferência ainda, o líquido iônico tem uma pressão de vapor que é essencialmente imensurável a 20°C acima da pressão de vapor do líquido iônico a 1 atm e assim, é visto como sendo essencialmente zero . Devido a uma pressão de vapor baixa ou imensurável significar pouca ou nenhuma evaporação, uma proporção em excesso do líquido iônico 16 n ao precisa ser incluída na célula ou num reservatório separado para compensar a excessiva evaporação com o tempo. Portanto, em algumas modalidades, uma quantidade relativamente baixa do líquido iônico 16 - mesmo uma quantidade mínima suficiente para suportar as reações eletroquímicas - pode ser usada na célula, reduzindo assim, seu peso geral e volume e aumentando sua potência para relações de volu- me/peso. Além disso, esta capacidade em ter-se um menor volume, permitir que a célula tenha um perfil mais delgado, permitindo que esta seja enrolada ou, de outro modo disposta numa configuração compacta.

[0038] O ponto de fusão do líquido iônico mais 20°C a 1 atm, é usado como ponto de referência para a pressão de vapor do líquido iônico como um assunto conveniente. Em geral, uma temperatura de operação da célula fica acima do ponto de fusão do líquido iônico, porém a verdadeira temperatura de operação pode ser diferente ou pode flutuar em algumas modalidades. Ao invés de escolher um ponto de referência que pode variar com base nas condições de operação, como temperatura de operação, ponto de fusão do líquido iônico, mais 20°C a 1 atm. podem ser usados como um ponto de referência estável e confiável. O fato de que isto é empregado como ponto de referencia não implica no fato da célula precisar, necessariamente, ser operada naquela temperatura, sendo que a temperatura de operação pode ser qualquer temperatura no ponto de fusão do líquido iônico ou acima deste ponto.

[0039] A pressão de vapor do líquido iônico 16 na temperatura de operação (que pode estar dentro de uma faixa de temperaturas operantes) também pode ser usada como um ponto de referência também. Assim, em algumas modalidades o método de operação da célula pode ser realizado com o líquido iônico 16 a uma temperatura no seu ponto de fusão ou acima deste ponto e em que a pressão de vapor do líquido iônico 16 é menor do que ou igual ao valor especificado. Por exemplo, a pressão de vapor na temperatura de operação pode estar em ou abaixo de 1 mm Hg, 0,5 mm Hg, 0,1 mm Hg ou ser imensurável e essencialmente zero. Opcionalmente, um aquecedor, como um aquecedor controlado com apoio de temperatura pode ser usado para aquecer a célula e seu líquido iônico para a temperatura de operação mantendo a temperatura a uma temperatura-alvo ou dentro de uma faixa-alvo. Em algumas modalidades, não se faz necessário um aquecedor e a célula pode ser projetada para operar em condições de am- biente-padrão (ou esta pode operar num meio de temperatura alta onde um aquecedor é desnecessário).

[0040] Em algumas modalidades não limitantes, o espaço 18 entre os eletrodos de combustível e de ar 12, 14 fica na faixa de 10 p a300 p. Preferivelmente, ele fica na faixa de 10 p a 100 p, ou na faixa mais estreita de 10 μ a 50 μ.

[0041] Em algumas modalidades, o uso do líquido iônico 16 permite que a célula 10 tenha uma relação relativamente alta de espessura do eletrodo combinado para espessura de líquido iônico (o mesmo se aplica para volume do eletrodo para volume do líquido iônico porque a área para ambos os eletrodos e o líquido iônico é a mesma). A relação de espessura de eletrodo combinada para espessura de líquido iônico pode ficar na faixa de 1:10 to 10:1, mais preferivelmente na faixa de 1:1 to 10:1, ou 2:1 para 10:1, ou 4:1 para 10:1. A relação ainda pode ser maior do que ou igual a 1:1, e a relação pode mesmo ser ainda maior ou igual a 2:1, 4:1 ou 10:1 em algumas modalidades, sem limite superior na relação.

[0042] O líquido iônico de baixa temperatura 16 pode ser de qualquer tipo incluindo líquido iônico a temperatura ambiente, e incluindo sem limitação aos exemplos apresentados no Pedido Provisório U.S. número de série 61/177.072, depositado em 11 de maio de 2009, cuja integralidade está ora incorporada por referência.

[0043] Exemplos de líquidos iônicos utilizáveis incluem líquidos iônicos apróticos sintetizados de combinações dos ânions de cloreto (Cl^-), hexafluorfosfato (PF₆ ^-), bis(triflurometlisulfonil)imida (C₂F₆NO₄S₂ ^- ) (TFSI), ou trifluormetanosulfonato (CF₃O₃S^- ) e os cátions de imidazólio, sulfônio, colina, pirrolidinio ou fosfônio e seus derivados. Líquidos iônicos práticos como metanossulfonato de trietilamônio e triflato de dietilmetilamônio também podem ser empregados. Líquidos iônicos com íons contendo flúor estável (como bis-(trifluormetilsulfonil)imida) podem ser desejáveis por suas propriedades hidrofóbicas para se evitar a absorção de água para o líquido iônico, particularmente aqueles com uma alta solubilidade para o cátion do metal de interesse .

[0044] Em modalidades não limitantes, de líquido iônico podem ser descritos metanossulfonato de trietilamônio (TEAMS) com triflato de zinco 0,5 M dissolvido em seu meio como um aditivo, podendo ser usado o zinco como o combustível metálico. Estudos potenciostáticos de reações metade-célula para o zinco e oxigênio no líquido iônico indicaram um potencial de célula de cerca de 1.45V, e uma densidade de energia de célula estimada em excesso de 600 Wh/kg.

[0045] Testes potenciostáticos no mesmo líquido iônico TEAMS com triflato de zinco a 0,5 molar suplementado com 50 ppm de água indicam um potencial de célula de cerca de 1,5V. Numa outra modalidade não limitante, o líquido iônico pode ser TEAMS com brometo de zinco 1, 0 molar (ZnBr₂) dissolvido como um aditivo sendo que, o zinco pode ser usado como o combustível metálico. Estudos potenciostáticos das reações metade-célula para o zinco e oxigênio em que o líquido iônico indica um potencial de célula de cerca de 1,3V, uma densidade de energia de célula estimada maior do que 500 Wh/kg, e um grau relativamente alto de reversibilidade para reações de zinco e oxigênio que são benéficas para células secundárias (recarregáveis).

[0046] Em ainda uma outra modalidade não limitante o líquido iônico pode ser cloreto de metiloctilimidazólio com manganês (II) 0,5 molar (MnCl₂) e 50 ppm de água como aditivos o manganês pode ser usado como o combustível metálico. Estudos potenciostáticos de rea- ções metade-célula para manganês e oxigênio em que o líquido iônico indica um potencial de cerca de 1,5 V e uma densidade de energia de célula estimada de cerca de 800 Wh/kg. Em ainda uma outra modalidade não limitante o líquido iônico pode ser 1-butil-3-metilimidazólio bis(trifluormetano)sulfonamida com AICI₃ 5.0 molar como um aditivo, o alumínio pode ser usado como o combustível metálico. Estudos poten- ciostáticos da reação metade-célula para o alumínio em que o líquido iônico indica um potencial de célula de cerca de 2,5 - 2,8 V, uma densidade de energia celular estimada de cerca de 2500-3000 Wh/kg, e um grau relativamente alto de capacidade reversiva para a reação de alumínio.

[0047] Em ainda uma outra modalidade não limitante o líquido iônico pode ser triflato de dietil metil amônio (DEMATf) com ZnCl₂ 0.5 M aí dissolvido como um aditivo, sendo que o zinco pode ser usado como o combustível metálico. Esta modalidade possui um potencial de célula estimada de cerca de 1,3 V. Como uma outra modalidade ainda não limitante da invenção o líquido iônico pode ser DEMATf com Zn(BF₄)₂ (tetrafluoroborato de zinco) 0.5 M. Esta modalidade possui um potencial de célula estimada em cerca de 1,45V.

[0048] Ainda outras modalidades não limitantes podem incluir os seguintes líquidos iônicos
:(a) TEAMS com um aditivo de acetato de Mn(ll) 0,01 molar para uso com manganês como o combustível metálico, (b) triflato de dietilmetil amônio com ZnCl₂ 1.0 molar como um aditivo para uso com o zinco como o combustível metálico, (c) GaCl₃ e cloreto de 1- metil-3-octilimidazolio em partes iguais (tetraclorogalato)para uso com o gálio como o combustível metálico. Em outras modalidades, fluoreto de zinco ou ditriflato de zinco pode ser usado como um aditivo no líquido iônico.

[0049] Em algumas modalidades o eletrodo de combustível 12, eletrodo de ar 14, e separador 28 (e qualquer separador interno) são configurados como folhas retangulares, com o comprimento substancialmente maior do que a largura. O comprimento é a direção que e fundamentalmente circunferencial no rolo 15, e a largura é a direção que é fundamentalmente axial no rolo 15. Isto permite ao rolo 15 ter um número maior de “abas,” ou seja, partes que se sobrepõem umas às outras, dentro do rolo 15, contribuindo assim, para uma área do eletrodo bidimensional aumentada na célula 10.

[0050] A célula 10 pode compreender opcionalmente, ainda, um envoltório 30 em que o rolo 15 é recebido. O envoltório 30 pode ter qualquer construção ou configuração e o envoltório ilustrado não pretende ser limitante. Preferivelmente, o envoltório 30 tem uma configuração cilíndrica com um diâmetro interno correspondendo ao diâmetro externo do rolo 15 de modo a se encaixar apertadamente dentro do envoltório 30, conforme ilustrado .

[0051] A célula 10 pode opcionalmente compreender ainda, um gerador de fluxo de ar 32 configurado para forçar o fluxo de ar para o rolo entre as superfícies externas 24, 26 dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14. O emprego de um gerador de fluxo de ar 32 facilita a distribuição de ar para a superfície externa 26 do eletrodo de ar 14. O gerador de fluxo de ar 32 pode ser um ventilador de força elétrica ou propulsor, como ilustrado, um fole ou qualquer outro dispositivo planejado para gerar um fluxo de ar. Por exemplo, no lugar de gerar uma pressão positiva, um vácuo poderia gerar uma pressão negativa para forçar o fluxo de ar também.

[0052] Como se vê na figura 3 o envoltório 30 pode ter um fluxo de ar axial aberto 34 e um fluxo de ar axial recebendo a extremidade 36 do rolo 15 pode fazer face ao fluxo de ar axial aberto que recebe a extremidade 34 do envoltório 30. O gerador de fluxo de ar 32 pode ser configurado para forçar o fluxo de ar para a extremidade que recebe o fluxo de ar axial aberto 34 do envoltório e para a extremidade axial 36 do rolo 15 entre as superfícies externas 24, 26 dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14. O envoltório 30 pode ter ainda uma extremidade de saída do fluxo de ar axial aberta 38 oposta à extremidade 34 que recebe o fluxo de ar e o rolo 15 pode ter uma extremidade de saída do fluxo de ar axial 40 de frente para a extremidade 38 de saída do fluxo de ar 38 do envoltório 30. O gerador de fluxo de ar 32 pode ainda forçar o fluxo de ar axialmente através do rolo 15 entre as superfícies externas 24, 26 dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14 e axialmente para fora da extremidade 40 de saída de fluxo de ar axial do rolo 15 para sair através da extremidade 38 de saída de fluxo de ar axial aberta 38 do envoltório

[0053] Numa abordagem alternativa, mostrada na figura 4, o rolo pode ainda ter uma saída 44 de fluxo de ar circunferencial indicada pelas extremidades dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14 na aba mais externa 46 do rolo 15. Assim, o gerador de fluxo de ar 32 pode forçar o fluxo de ar para o fluxo de ar axial que recebe a extremidade 36 do rolo entre superfícies externas 24, 26 dos eletrodos de combustível e de ar 12, 14 e para fora da saída 44 de fluxo de ar circunferencial. Assim, o fluxo de ar pode ser inicialmente axial, porém sair na direção circunferencial do rolo 15. Isto pode ser ditado pela estrutura que bloqueia ou de outro modo fecha a extremidade axial oposta do rolo 15 (por exemplo, uma extremidade fechada do envoltório 30 poderia bloquear a extremidade axial oposta do rolo 15), forçando desse modo, a saída do fluxo de ar do rolo 15 através da saída de fluxo de ar circunferencial 44.

[0054] O uso de um envoltório 30 pode ser opcional, e o gerador de fluxo de ar 32 pode ser acoplado diretamente ao rolo 15, como se vê, por exemplo, na figura 4. Naturalmente que, poderia ser empregado um envoltório 30 e entradas adequadas para permitir a saída do fluxo de ar onde forem adequados, sendo que, os exemplos ilustrados não são limitantes. O gerador de fluxo de ar 32 podem ser montados numa capota 48 como ilustrado. Esta capote 48 pode ser unida a uma extremidade axial 34 do envoltório 30, como ilustrado na figura 3 ou direta,mente à extremidade axial 36 do rolo, como se vê na figura 4. O capote 48 ilustrado, ou seu uso geralmente, é opcional não pretendendo ser limitante.

[0055] O uso de um gerador de fluxo de ar é opcional e a célula 10 pode operar por distribuição passiva do oxidante (tipicamente, oxigênio em ar ambiental).

[0056] Em algumas modalidades, a célula pode ser planejada como uma célula secundária ou recarregável, o que significa que uma fonte de energia pode ser acoplada aos eletrodos 12, 14, para recarga da célula por oxidação de uma espécie oxigênio oxidável para expansão do oxigênio e redução e eletrodeposição de uma espécies metálica reduzível no eletrodo de combustível 12. Qualquer óxido metálico formado durante a descarga pode desassociar durante a recarga proporcionando disponibilidade das espécies combustível redutíveis (tratando-se tipicamente, de espécies combustível geradas durante oxidação do combustível durante a descarga) e espécies oxigênio oxidáveis (tratando-se, tipicamente de espécies oxigênio geradas durante redução do oxigênio durante a descarga). Preferivelmente, o eletrodo de ar 14 pode funcionar como um anodo durante a recarga para oxidação de espécies oxigênio oxidáveis com o eletrodo de combustível 12 funcionando como um cátodo para redução de espécies combustível reduzíveis . Alternativamente, um terceiro eletrodo flexível separado prestando-se à evolução do oxigênio pode ser incluído na célula 10 e enrolado no rolo 15 com os eletrodos de combustível e de ar '12, 14 (tendo as mesmas dimensões). O potencial anódico da fonte de energia seria assim, aplicado a este terceiro eletrodo, que funciona para oxidar as espécies oxigênio oxidáveis e provocar emissão do oxigênio. Tanto o eletrodo de ar funcionando como um anodo ou este terceiro eletrodo podem ser referidos como um eletrodo de carga. A capacidade de recarregar a célula é opcional não devendo ser vista como limitante.

[0057] A figura 5 mostra uma modalidade alternativa de uma célula 100, em que o eletrodo de combustível flexível 12 e o eletrodo de ar flexível 14 são dobrados num modo alternante com partes da superfície externa 14 dos eletrodos de ar voltadas uma para a outra e partes da superfície externa 12 do eletrodo combustível 12 voltadas umas para as outras; e partes da superfície externa 12 do eletrodo de combustível 12 voltadas umas para as outras (números de referência semelhante são usados para indicar as mesmas estruturas como as modalidades antecedentes). Uma série de separadores 102 pode ser posicionada entre pelo menos as partes das superfícies externas 14 do eletrodo de ar voltadas umas às outras. Esses separadores 102 são configurados para permitir o oxigênio gasoso, tipicamente como se encontra no ar ambiente, ser exposto à superfície externa 14 do eletrodo de ar, de modo semelhante ao separador 28. É de menor importância a preocupação com o contato eletrocondutor nesta configuração, porque o contato entre um eletrodo e uma outra parte dele não ocasionará um curto, enquanto na configuração enrolada os dois eletrodos estão voltados um para o outro, e o contato entre eles pode ocasionar um curto-circuito. Um envoltório adequado ou estrutura pode ser usado pra contenção dessa célula dobrada 100.

[0058] Adicionalmente, separadores 104, que não precisam de ar ou fluxo de oxigênio podem ser usados entre as partes das superfícies externas do eletrodo de combustível 12 para auxiliar na localização dos eletrodos, obtendo suporte e/ou prevenindo a dobradura nas áreas associadas de ficarem muito abruptas o que poderia enrugar ou danificar os eletrodos . Esses separadores 104 podem ser iguais aos separadores 103 a fim de facilitar a manufatura e evitar a necessidade de diferenciação entre dois diferentes separadores durante a montagem. Assim, pode ser considerado que, uma configuração em rolo não é a única configuração possível da célula. A célula 10 pode ter outras configurações compactadas não lineares, como a configuração dobrada alternada ilustrada na figura 5 ou em outras configurações.

[0059] Em qualquer modalidade, é possível eliminar o separador 28 ou separadores 102, e a separação vista (seja entre as superfícies externas dos eletrodos de combustível e de ar, ou das partes superficiais externas do eletrodo de ar adjacentes) podem ser conseguidas por outras estruturas. Por exemplo, um retentor pode posicionar os eletrodos numa relação afastada espaçada. A guisa de exemplos apenas, um retentor como esse pode ser um entalhe ou cavidade formada num envoltório ou quadro, grampo, localizando aspectos ou outras de tais estruturas, não precisando ser uma camada ou estrutura que fica posicionada entre os eletrodos ou partes deles.

[0060] Em algumas modalidades, os eletrodos não precisam ser enrolados, dobrados, ou de outro modo dispostos numa configuração compacta (embora essa seja preferida para aquisição de alta potência e/ou densidade de energia num volume geométrico manuseável e prático). É possível para os eletrodos serem planos ou serem de qualquer outra configuração, em algumas modalidades, incluindo, sem limitação a aplicações de baixa e/ou aplicações de armazenamento de baixa energia.

[0061] Tipicamente, em qualquer emprego de uma célula, o oxigênio absorvido e reduzido pelo eletrodo de ar 14 será proveniente do ar ambiente. Contudo, é possível operar uma célula num meio enriquecido de oxigênio pra algumas aplicações. Assim, referência ao oxigênio gasoso inclui tanto o oxigênio naturalmente presente no ar ambiente, ar enriquecido de oxigênio, e qualquer outra forma compreendendo ou consistindo de oxigênio gasoso.

[0062] Embora as modalidades apresentadas supra tenham o líquido iônico em contato com ambos os eletrodos de combustível e de ar, é possível em outras modalidades, ter esse contato apenas com um eletrodo (ou seja, o eletrodo de combustível no eletrodo de ar) com uma outra camada ou meio ionicamente condutor em contato com o outro eletrodo, e uma interface, como uma união liquida ou membrana permeável flexível e fina que seria proporcionada entre eles. De qualquer modo, a camada adicional ou meio seria flexível (tanto como um sólido/semissólido flexível ou um líquido que seja intrinsecamente flexível) como seria qualquer membrana usada na interface. A cama- da/meio adicional poderia, por exemplo, ser um líquido iônico adicional ou uma solução eletrolítica líquida não iônica. Os materiais selecionados e abordagens de planejamentos podem variar com base na construção de fatores tais como, custos, ciclo de vida pretendido, densidade de energia, densidade de potência, e outros.

[0063] As modalidades precedentes ilustradas foram proporcionadas unicamente para ilustrar os princípios estruturais e funcionais da presente invenção não devendo ser vistas como limitantes; pelo contrário a presente invenção pretende abranger todas as modificações, alterações substituições e equivalentes que se enquadrem no espírito e escopo das reivindicações apensas.

Claims

Célula eletroquímica de metal-ar (10) caracterizada pelo fato de que compreende:
um eletrodo de combustível flexível (12) para oxidar um combustível metálico;
um eletrodo de ar flexível (14) para absorver e reduzir o oxigênio gasoso, e
um meio ionicamente condutor compreendendo um líquido iônico a baixa temperatura (16) com um ponto de fusão a 150°C ou abaixo desta temperatura a 101,3 kPa (1 atm), estando encerrado em um espaço (18) entre o eletrodo de combustível flexível (12) e o eletrodo de ar (14) para condução de íons para suporte de reações ele-troquímicas nos eletrodos de combustível (12) e de ar (14), o líquido iônico posicionado para contatar tanto o eletrodo de combustível flexível quanto o eletrodo de ar; e
um ou mais membros de vedação ao longo de uma periferia dos eletrodos de combustível e de ar para vedar o espaço entre os eletrodos de combustível e de ar para conter o líquido iônico, os referidos membros de vedação eletricamente isolantes para impedir a condução elétrica entre os eletrodos de combustível e de ar;
em que o eletrodo de combustível flexível (12) e o eletrodo de ar flexível (14) são dispostos em uma configuração não linear compacta com uma superfície externa (26) do eletrodo de ar (14) exposta para absorver oxigênio gasoso; e
em que o eletrodo de combustível flexível e o eletrodo de ar flexível compreendem ainda, cada um, um suporte fixado ao mesmo, no qual o suporte é impermeável ao líquido iônico.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o meio ionicamente condutor adicionalmente compreende um aditivo contendo metal dis-solvido.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que os eletrodos de combustível (12) e de ar (14) são configurados para prevenir a permeação do líquido iônico de baixa temperatura (16) através deles via suas superfícies externas (24, 26).
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um separador flexível (28) eletricamente isolante, em que o eletrodo de combustível flexível (12), o eletrodo de ar flexível (14) e o separador flexível (28) são enrolados em um rolo (15) como a configuração compacta não linear com o separador flexível (28) posicionado entre as superfícies externas (24, 26) dos eletrodos de combustível e de ar (12, 14) a fim de evitar o contato eletricamente condutor entre as superfícies externas (24, 26) dos eletrodos de combustível e de ar (12, 14), esse separador flexível (28) estando configurado para permitir exposição da superfície externa (26) do eletrodo de ar (14) ao oxigênio gasoso.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um separador interno flexível que é eletroquimicamente inerte no líquido iônico (16) e eletricamente isolante, o separador interno flexível sendo enrolado no rolo (15) e posicionado no espaço (18) entre as superfícies internas (20, 22) dos eletrodos de combustível e de ar (12, 14) a fim de evitar contato de condução elétrica entre as superfícies internas (20, 22) dos eletrodos de combustível e de ar (12, 14).
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um envoltório (30) para receber o rolo (15).
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a
reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o envoltório (30) tem uma extremidade aberta para receber o fluxo de ar axial e uma extremidade para receber o fluxo de ar axial das faces do rolo (15) e a extremidade receptora do fluxo de ar aberta (34) do envoltório (30), compreendendo a célula ainda um gerador de fluxo de ar (32) para forçar o fluxo de ar para a extremidade aberta que recebe o fluxo de ar axial (38) do envoltório (30) e a extremidade receptora do fluxo de ar axial (36) do rolo (15) entre as superfícies externas (24, 26) dos eletrodos de combustível e de ar (12,14).
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o envoltório (30) tem uma saída de fluxo de ar axial aberta oposta à extremidade receptora de fluxo de ar axial aberta (34) e o rolo (15) ter uma extremidade de saída de fluxo de ar axial voltada para a extremidade de saída do fluxo de ar axial aberta (38) do envoltório (30), em que o gerador de fluxo de ar (32) está configurado para forçar o fluxo de ar axialmente através do rolo (15), entre as superfícies externas (24, 26) dos eletrodos de combustível e de ar (12, 14) e axialmente através do rolo (15) entre as superfícies externas (24, 26) dos eletrodos de combustível e de ar (12, 14) e axialmente para fora da extremidade de saída do fluxo de ar axial do rolo (15) para saída através da extremidade de saída do fluxo de ar axial aberta (38) do envoltório (30).
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que compreendendo ainda um gerador de fluxo de ar configurado para forçar o fluxo de ar para dentro do rolo entre as superfícies externas dos eletrodos de combustível e ar.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o rolo tem uma extremidade receptora fluxo de ar axial e o gerador de fluxo de ar é configurado para forçar o fluxo de ar na extremidade receptora de fluxo de ar axial entre as superfícies externas dos eletrodos de ar e de combustível.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o rolo tem uma extremidade de saída de fluxo de ar axial oposta à extremidade receptora de fluxo de ar axial e o gerador de fluxo de ar é configurado para forçar o fluxo de ar para a extremidade receptora de fluxo de ar axial entre as superfícies externas dos eletrodos de combustível e de ar e para fora a partir da extremidade de saída do fluxo de ar axial.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o rolo tem uma saída de fluxo de ar circunferencial definida por extremidades dos eletrodos de ar e combustível em uma volta mais externa do rolo, e em que o gerador de fluxo de ar é configurado para forçar o fluxo de ar em um fluxo de ar axial que recebe a extremidade do rolo entre a superfície externa dos eletrodos de combustível e de ar e para fora da saída do fluxo de ar axial.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o líquido iônico (16) tem uma pressão de vapor a 133,3 Pa (1 mmHg) ou abaixo desta, a 20°C acima de seu ponto de fusão.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1 ou 13, caracterizada pelo fato de que a distância do espaço (18) entre os eletrodos de combustível (12) e de ar (14) está na faixa de 10 p a 300 μ.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 2 ou 13, caracterizada pelo fato de que a relação de espessura de eletrodo combinada para espessura do líquido iônico (16) fica na faixa de 1:10 a 10:1.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o meio ionicamente condutor é destituído de um solvente para dissolver o líquido iônico de baixa temperatura (16).
Célula eletroquímica de metal-ar (100), de acordo com a reivindicação 1 ou 16, caracterizada pelo fato de que o líquido iônico a baixa temperatura (16) é um líquido iônico à temperatura ambiente.
Célula eletroquímica de metal-ar (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a configuração compacta é o eletrodo de combustível flexível (12) e o eletrodo de ar flexível (14) sendo dobrados em um modo alternativo com partes das superfícies externas (26) dos eletrodos de ar (14) voltadas entre si e partes das superfícies externas (24) dos eletrodos de combustível (12) voltadas entre si.
Célula eletroquímica de metal-ar (100), de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que compreende uma série de separadores (28) posicionados entre pelo menos as partes das superfícies externas (26) do eletrodo de ar (14) voltadas entre si, sendo os separadores (28) configurados para expor as partes da superfície externa (26) dos eletrodos de ar (14) ao oxigênio gasoso.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que:
o eletrodo de combustível flexível e o eletrodo de ar flexível são enrolados em um rolo como a configuração compacta não-linear,
em que a célula compreende ainda uma estrutura de retenção para posicionar o eletrodo de combustível (12) e o eletrodo de ar (14) de tal modo que as superfícies externas do eletrodo de combustível e do eletrodo de ar são mantidas em uma relação espaçada para impedir o contato eletricamente condutivo entre as superfícies externas dos eletrodos de ar e de combustível e permitir a exposição da superfície externa do eletrodo de ar ao oxigênio gasoso.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os ditos eletrodos de combustível e de ar estão cada um configurados para impedir a per- meação de líquido do líquido iônico a baixa temperatura através das suas superfícies externas;
em que o líquido iônico tem uma pressão de vapor igual ou inferior a 1 mm Hg a 20° C acima do seu ponto de fusão;
e em que a razão entre a espessura do eletrodo combinado e a espessura do líquido iônico é superior ou igual a 1: 1.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o líquido iônico tem uma pressão de vapor igual ou inferior a 1 mm Hg a 20 ° C acima do seu ponto de fusão; e
em que uma razão entre a espessura do eletrodo combinado e a espessura do líquido iônico é superior ou igual a 1:1.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 13, 21 ou 22, caracterizada pelo fato de que o combustível metálico compreende um metal selecionado do grupo constituo por um metal alcalino-terroso, um metal de transição e um metal pós-transição.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 28, caracterizada pelo fato de que o combustível metálico compreende um metal selecionado do grupo consistindo em zinco, alumínio, gálio, manganês e magnésio.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a célula é recarre- gável.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o meio eletricamente condutivo não compreende lítio.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o líquido iônico compreende íons contendo flúor.
Célula eletroquímica de metal-ar (10), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o líquido iônico é hidrofóbico contendo menos de 100 ppm de água.
Método para a operação de uma célula eletroquímica de metal-ar (10) como definida na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende:
oxidação do combustível metálico no eletrodo de combustível (12);
redução do oxigênio gasoso absorvido no eletrodo de ar (14); e
condução de íons dentro do líquido iônico (16) para suporte de reações eletroquímicas nos eletrodos de combustível (12) e eletrodos de ar (14);
em que o método é realizado com o líquido iônico (16) a uma temperatura em seu ponto de fusão ou acima deste.
Método, de acordo com a reivindicação 29, caracterizado pelo fato de que o líquido iônico está a uma temperatura à qual a pressão de vapor do líquido iônico é igual ou inferior a 1 mm Hg.
Método de acordo com a reivindicação 29 ou 30, caracterizado pelo fato de que o combustível metálico compreende zinco.
Método de acordo com a reivindicação 29 ou 30, caracterizado pelo fato de que o meio ionicamente condutor compreende ainda um aditivo contendo metal.
Método de acordo com a reivindicação 29 ou 30, caracterizado pelo fato de que o líquido iônico é aprótico.