ES2225574T3 - Procedimiento para fabricar un material metalizado y una bateria, y pila de combustible que contiene este material. - Google Patents
Procedimiento para fabricar un material metalizado y una bateria, y pila de combustible que contiene este material.Info
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Abstract
Batería o pila de combustible que comprenden una tela metalizada de fibras no conductoras de la electricidad, para un electrodo, caracterizadas porque toda la superficie de las fibras está recubierta por un metal o por una aleación, con un grosor de 0, 5 micras a 15 micras y las fibras pueden desplazarse unas respecto a otras.
Description
Procedimiento para fabricar un material
metalizado y una batería, y pila de combustible que contiene este
material.
La invención se refiere a un procedimiento para
la fabricación de una tela metalizada, así como a una batería y a
una pila de combustible que la contienen.
Como la tela metalizada y su fabricación
desempeñan un papel en todos los aspectos de la invención, se
hablará de ellas en primer lugar.
Por galvanización en la presente invención se
entiende una incrustación electrolítica sobre un sustrato conductor,
con ayuda de corriente, de un metal o también de un no metal que
está presente como ión en una solución acuosa, dado el caso, junto
con una dispersión de un material insoluble pero dispersable en la
solución acuosa. Por incrustación exenta de corriente externa se
entiende una incrustación no ayudada por una corriente externa,
sino una incrustación sobre un sustrato, de un metal o de una
aleación o de un material dispersado, generada por un agente
reduc-
tor.
tor.
Por "tela" aquí se entiende, por ejemplo, un
género de punto, un vellón, un tejido o similares; por "fibra"
se entiende, por ejemplo, un filamento o una unión de filamentos.
Preferentemente, la invención se ocupa de una tela que es un tejido
de filamentos individuales de material sintético.
La característica de una tela es una extensión
preponderantemente de gran superficie con relativamente poca
profundidad. Una tela básicamente no es rígida, sino más o menos
blanda.
En la técnica, se usan diversas telas a las que
se ha dado capacidad de conducir la electricidad, por ejemplo, en
la técnica de filtración, en la que es importante un tamaño
definido de malla. El uso de tal tela en la fabricación de baterías
es especialmente importante, usándose allí en lugar de electrodos de
chapa o de rejilla porque su superficie es mucho mayor y además su
peso es menor.
Por ejemplo, del documento DE 195 03 447 A1 se
conocen un portador de masa para electrodos de elementos galvánicos
primarios y secundarios de una estructura de red tridimensional de
malla abierta, de hilos sintéticos recubiertos de forma continua
mediante una o varias capas metálicas delgadas de buena
conductibilidad, y electrodos fabricados a partir de éste. Por
cierto, no se especifica nada acerca de los puntos de cruce de los
hilos, especialmente no se especifica que durante la galvanización
se muevan unos respecto a los otros, de manera que se debe suponer
que los puntos de cruce en la estructura de red están pegados.
Otra tela, en forma de fieltro pespunteado, que
forma la estructura de un electrodo, es conocida del documento DE 40
04 106 y para mejorar la resistencia está doblemente pespunteado.
Pero de esta manera el fieltro también se vuelve más rígido y
denso. En la metalización, primero química y después galvánica, en
las fibras que se cruzan se forman puntos nodales metálicos de unión
que pegan las fibras entre sí, y que aumentan aún más la rigidez
del fieltro de manera en sí deseada, pero que en total reducen el
tamaño de la superficie.
Tales puntos nodales reducen la superficie
disponible de las fibras pero producen fiablemente un contacto, de
manera que hasta ahora no se han hecho esfuerzos para evitar su
formación.
En cambio, el documento DE 27 43 768 describe un
tejido que es metalizado en un baño de inmersión exento de
corriente y en el que la capa de metal no debe superar el grosor de
0,3 \mum. De esta manera, el tejido recubierto opone una
resistencia al paso de corriente eléctrica, de manera que el tejido
recubierto conocido está previsto para vestimenta que se puede
calentar de forma eléctrica. No se puede predecir si fibras
cruzadas se pegan entre sí o no durante la metalización; pero al
mover el tejido probablemente se quebrarían lugares pegados por el
grosor sumamente bajo de la capa, de manera que la metalización en
tales lugares quedaría incompleta. El efecto como resistencia
eléctrica no se deteriora por esto.
La invención debe mejorar, en un aspecto, la tela
del tipo mencionado al principio. En particular, se deberá mejorar
su aplicabilidad para baterías, aumentando la superficie
metalizada.
Conforme a la invención, se alcanza este objetivo
recubriendo toda la superficie de las fibras, también en los puntos
nodales, con metal o aleación metálica y logrando que puedan
desplazarse las fibras unas respecto a otras.
Mediante el recubrimiento de las fibras por todos
sus lados, se garantiza un máximo de superficie metalizada y la
capacidad de desplazamiento de las fibras asegura que esta
superficie metálica también sea utilizable y que no se reduzca la
utilidad a causa de fibras ajustadas fuertemente entre sí, como se
encuentran obligadamente en el fieltro pespunteado del documento DE
40 06 106. La tela conforme a la invención puede presentar aquí una
geometría adaptada al respectivo fin de uso, no significando la
capacidad de desplazamiento de las fibras que la tela en el uso
modifique o pierda esta geometría, sino sólo que las fibras en los
lugares de cruce no estén tan apretadas unas contra otras, que ya
no se puedan mover. La longitud de desplazamiento puede ser
sumamente pequeña.
Aquí en los lugares de cruce las fibras
metalizadas descansan unas sobre otras y, de esta manera, generan
un contacto eléctrico suficiente, de manera que contra lo esperado
no se necesitan puntos nodales en los que las capas metálicas estén
pegadas entre ellas.
Es decir, en la tela fabricada y usada en la
invención la superficie entera de todas las fibras porta un
recubrimiento de metal o de una aleación, aplicado por
galvanización o de manera exenta de corriente externa. En las zonas
de cruce, las fibras no están pegadas entre sí, sino que engranan
unas bajo las otras, manteniendo completamente la geometría, por lo
que el recubrimiento exento de corriente externa o por
galvanización, de las fibras dotadas previamente de
conductibilidad, permite una aplicación uniforme del metal de hasta
un grosor de 0,5 \mum a 15 \mum. Por aplicación por
galvanización aquí preferentemente se entiende una capa metálica
cristalina, una llamada trabazón cristalina, mientras que en el baño
de inmersión exento de corriente externa siempre se forma una
estructura vítrea, amorfa a los rayos X. Se demostró que en los
cruces las estructuras vítreas gruesas tienden a pegotearse o unirse
de forma tan ajustada que no quede espacio en el que pueda penetrar
electrolito, de manera que la superficie metálica queda reducida.
Más adelante se mostrará cómo puede remediarse esto.
La realización en la que el efecto conjunto de la
movilidad de las fibras con el de su recubrimiento cristalino
asegura la accesibilidad completa de toda la superficie metálica es
especialmente preferida, sin embargo, dado el caso, puede limitarse
la movilidad a un grado mínimo, de manera que un tejido fabricado
conforme a la invención, por ejemplo, también pueda usarse como
tamiz de precisión. En el uso preferido de la tela conforme a la
invención, como electrodo de batería, las fibras pueden presentar
un grado de libertad mayor en cuanto a su movilidad. Aquí también
podría usarse un recubrimiento vítreo, que últimamente también
puede fabricarse por vía galvánica, por ejemplo, cuando se exigiera
una resistencia especial contra la corrosión.
El grosor de la capa metálica asciende al menos a
0,5 \mum y puede alcanzar hasta 15 \mum.
Como material para las fibras, entran en
consideración todas las fibras no metálicas, sin embargo, se
prefieren fibras minerales, fibras cerámicas, fibras de vidrio y
fibras sintéticas. En este último caso, a su vez se prefieren fibras
de poliéster, poli-tetrafluoroetileno, poliamida,
policarbonato, polietilenimina, polietileno, polipropileno,
fluoruro de polivinilideno, fibras de aramida y/o fibras de
perfluoroalcoxi.
Como capa metálica puede usarse todo metal; se
prefieren metales no nobles, en particular, Ni, Al, Co y Cu,
aleaciones, en particular, NiPCo, NiPMn, NiP, FeNiCr, NiWo, NiPWo,
NiSn, CoSn, NiMg y NiMo, y metales nobles, en particular, plata,
oro, platino, paladio, rutenio y rodio.
El uso preferido de las telas conforme a la
invención, en particular, tejidos, es el uso como material
funcional para electrodos microporosos en sistemas electroquímicos,
por ejemplo, en la fabricación de baterías como descargadores de
corriente y/o como material de electrodos en baterías de Ni/MH y
baterías de iones de Li, así como en la pila de combustible, como
electrodo, para aumentar en gran medida la capacidad de rendimiento
y la densidad de rendimiento de los sistemas nombrados, por la gran
superficie de las estructuras tridimensionales logradas y la
conducción selectiva de la topografía de las capas metálicas
incrustadas (fabricación selectiva de capas metálicas con
superficie muy amplia). Las masas activas de las baterías (material
de cátodo y de ánodo) pueden introducirse muy bien en estos
electrodos microporosos. En sistemas poliméricos de iones de Li de
esta manera puede alcanzarse una adherencia sobresaliente de los
materiales activos.
Otros campos de aplicación preferidos de la tela
fabricada conforme a la invención se encuentran en la técnica de la
filtración, de la purificación de gases (O_{2}), de la
electrólisis alcalina de agua (como electrodo positivo y electrodo
negativo), en la técnica militar, en la técnica de seguridad y en la
vestimenta protectora de trabajo, así como en el uso como
catalizador y material de resistencia para la generación de calor y
para el acondicionamiento ionizante de aire en aparatos
purificadores de aire.
Un tipo preferido de batería en el que puede
usarse la tela metalizada conforme a la invención, son baterías de
iones de Li, de iones de Li-polímero y baterías de
Ni-MH, sirviendo la tela como descargador de
corriente y como electrodo. Las masas activas se introducen en las
telas.
El tipo preferido de pila de combustible es la
pila de combustible de temperatura baja PEM.
En cada caso se optimiza la estructura de la tela
de tal manera, que se logren una conductibilidad lo más alta
posible y una superficie de acción catalítica lo más grande posible
(para el uso como pilas de combustible y como catalizadores) y una
superficie activa lo más amplia posible.
Como se señaló al comienzo, una tela fabricada
conforme a la invención no puede fabricarse mediante los
procedimientos conocidos, en los que se recubría toda la tela de
manera exenta de corriente externa, o después de darle
conductibilidad eléctrica, se recubría por galvanización, porque
siempre quedan zonas sin recubrimiento en los cruces de fibras.
Un ruta posible sería la fabricación de un
filamento metalizado y luego la fabricación de una tela a partir de
este filamento metalizado. Pero sería necesario un extremado esmero
en el tejido de la tela para evitar dañar la capa metálica, ya que
puede presentar un grosor tan bajo como de 0,5 \mum.
Por ello, conforme a la invención, se trata
posteriormente la tela ya terminada de los materiales descritos
anteriormente, mordentando su superficie y purificándola en primer
lugar, luego, dado el caso, después de una activación con paladio,
se provee de un recubrimiento que posee conductibilidad eléctrica,
mediante galvanización o de manera exenta de corriente externa o,
dado el caso, de forma mecánica (recubriendo por pulverización con
polvo metálico) o metalizando por bombardeo iónico, o metalizando
por evaporación o por deposición de vapores químicos (CVD), y
finalmente se aplica la capa metálica propiamente dicha mediante
aplicación de manera exenta de corriente externa o por
galvanización. Durante esta aplicación exenta de corriente externa o
por galvanización, en la tela se genera un movimiento relativo de
las fibras para que éstas no descansen inmóviles unas sobre otras,
sino que se muevan unas respecto a otras, de manera que no se forme
un cruce permanente, en el que formando un punto nodal metálico dos
fibras puedan pegarse una con la otra. La aplicación propiamente
dicha, exenta de corriente externa o por galvanización, para la
fabricación de las telas fabricadas conforme a la invención, se
efectúa de la manera conocida en el estado de la técnica.
Se propuso hace mucho tiempo (documento DE. 22 39
547) conducir un cable trenzado de alambres individuales de cobre u
otros metales, en parte exento de tensión, con tensión alternante y
con curvatura alternante, durante la aplicación galvánica de
estaño, de manera que los alambres individuales al atravesar el
baño fueran sometidos constantemente a un movimiento relativo unos
respecto a otros, por lo que pudieran ser recubiertos por
galvanización por todos sus lados. Sin embargo, la condición para
este procedimiento de esta publicación es la rigidez de alambres de
metal, que permite conducir los cables trenzados sin tensión, lo
que no es posible con la tela.
Pero la invención ha reconocido que las fibras de
una tela, a pesar de la necesidad de una tensión constante de la
misma a través de un baño, pueden ser sometidas a un movimiento
relativo mutuo constante que es lo suficientemente grande para
poder evitar un pegoteo de los puntos de cruce en la aplicación
exenta de corriente externa o por galvanización y lograr un
recubrimiento de todas las fibras por todos sus lados y sin fallas.
Así se posibilitó la fabricación de la tela metalizada conforme a
la invención. A continuación, se comenta el procedimiento de
fabricación en sus detalles.
Antes de poder aplicar una capa galvánica sobre
un material no conductor, éste debe proveerse en primer lugar de
una cubierta conductora de la electricidad.
Una aplicación exenta de corriente externa de una
cubierta conductora de la electricidad, por ejemplo, puede
consistir en la aplicación de sulfuros y polisulfuros. Aquí
preferentemente se aplican sulfuros y polisulfuros de cobalto,
manganeso o estaño sobre la superficie de la tela, luego se efectúa
un enjuague intermedio y una subsiguiente inmersión en una solución
de un reticulante que contiene sulfuros, por lo que se genera una
capa de sulfuro/polisulfuro metálico firmemente adherente.
Además, también puede producirse la cubierta
conductora mediante aplicación por evaporación, por bombardeo
iónico con un metal o mediante deposición de vapores químicos.
Pero también es posible dividir el paso en tres
sub-pasos: en el acondicionamiento, la activación y
la metalización exenta de corriente externa o por galvanización de
la superficie. Más adelante se explicará esto más
detalladamente.
Antes de la aplicación exenta de corriente
externa de una capa de sulfuros/polisulfuros, la aplicación por
bombardeo iónico, la aplicación por evaporación, por deposición de
vapores químicos o el acondicionamiento, en general, se limpia la
superficie y se mordenta, con lo que ésta es preparada para los
pasos siguientes. Preferentemente, esta preparación se efectúa
sometiendo la tela a un plasma atmosférico.
Aquí se trata de un plasma no térmico. Mediante
una frecuencia de excitación muy alta, que puede encontrarse entre
varios kilohercios y aproximadamente 3 gigahercios, y por las altas
densidades de campo resultantes, se forma un plasma de no
equilibrio, en el que la energía electrónica en el plasma es más
alta que la energía de los iones y de las partículas excitadas.
El plasma se compone de gases inocuos como
oxígeno o aire, cuyo efecto físico y químico se basa en la gran
cantidad de partículas.
El gas para el plasma se selecciona de forma
correspondiente al material del tejido, por ejemplo, oxígeno,
nitrógeno, argón, amoníaco, CF_{4} o similares. En la activación
en el plasma de microondas se introducen grupos polares en la
superficie de la tela o de la fibra, normalmente la superficie de
un polímero. En el plasma, a temperatura ambiente, por ejemplo, por
radiación UV se forman radicales de polímero que reaccionan con los
radicales libres del gas de plasma correspondiente. Por esto se
forman grupos polares, por ejemplo, grupos hidroxilo, carboxilo o
carbonilo, así como grupos amino, que se introducen en las
superficies de polímeros. Estos efectos están limitados a sólo el
ámbito contiguo a la superficie (1 \mum a 10 \mum), de manera
que el cuerpo básico del polímero queda intacto.
Preferentemente, se usa una cámara de plasma que
sea accesible desde dos lados, de tal manera que la tela que se ha
de activar se conduzca a través de la cámara de manera continua, a
través del plasma. La altura de la cámara alcanza para conducir a
través de ella tejidos y vellones de todo tipo. Pero la cámara
abierta por ambos lados no tiene sellado y tampoco se evacua. Pero
se refrigeran las paredes de la cámara para poder generar un plasma
estable durante largo tiempo. Preferentemente la refrigeración es
una refrigeración mediante aire.
Preferentemente, se efectúa la activación
mediante un compuesto de paladio coloidal, lo que básicamente ya es
conocido por el documento DE 37 43 743. Este procedimiento demostró
ser ventajoso, en comparación con muchos otros procedimientos
conocidos.
En la metalización exenta de corriente externa,
de manera conocida se deposita un ión metálico que, por ejemplo,
proviene de una sal metálica, en forma de metal sobre una tela
activada, mediante un agente reductor, de manera exenta de
corriente externa. En una realización, el metal es el mismo que se
aplica en una galvanización facultativa subsiguiente. Aquí pueden
usarse todos los iones metálicos químicamente reducibles, es decir,
también iones de metales no nobles como níquel y aluminio.
Después de realizada la activación, también puede
aplicarse el recubrimiento metalizante por galvanización.
El aspecto electroquímico de la aplicación exenta
de corriente externa o por galvanización, del recubrimiento de
metal o de una aleación, sobre el sustrato de tela a la que se
confirió conductibilidad, como ya se ha mencionado, es en sí
conocido y está ampliamente descrito en la bibliografía. Aquí, por
ejemplo, pueden aplicarse todos los metales y aleaciones mencionados
anteriormente en la descripción de la tela fabricada conforme a la
invención. En el ejemplo siguiente se describen dos incrustaciones
exentas de corriente externa ejemplares y dos incrustaciones por
galvanización.
En cuanto al movimiento simultáneo de la tela
durante la aplicación exenta de corriente externa o la aplicación
por galvanización, es imaginable que para el movimiento se use el
mismo baño para la aplicación exenta de corriente externa o la
aplicación por galvanización (en lo sucesivo, "baño
electrolítico"), y que se introduzca la tela por lotes en una
especie de "torbellino" galvánico. Sin embargo, éste sería un
procedimiento relativamente improductivo.
Por tanto, en la invención se prefiere un
procedimiento continuo, más productivo, en el que se efectúa un
movimiento relativo definido de todas las fibras por esfuerzo
mecánico de la tela, mientras se transporta ésta a través del baño
electrolítico.
A este fin, se prefiere un dispositivo en el que
la tela es transportada sobre al menos dos cilindros, de lo cuales
al menos uno es elíptico. Si se usan dos cilindros elípticos
contiguos, preferentemente, deben moverse con igual número de
revoluciones, pero no deben encontrarse ubicados con sus ejes
transversales paralelos.
En el transporte, el cilindro elíptico cuida de
que el trecho cubierto por la tela extendida entre dos cilindros se
modifique rítmicamente de forma constante, de manera que la tela
constantemente sea estirada y relajada de forma alternada en el
sentido del transporte. En el caso de un tejido, se extienden los
hilos de la urdimbre y se desplazan de forma correspondiente frente
a los hilos de la trama.
Además, preferentemente está previsto al menos un
cilindro adicional que presenta un perfil en su contorno, que
transcurre de forma oblicua respecto al contorno, por ejemplo,
estrías elípticas que discurren de forma oblicua por la superficie
externa del cilindro adicional. Éste, mediante una tela en forma de
tejido, agarra los hilos de la urdimbre y los mueve en relación con
los hilos de la trama, en la dirección longitudinal de éstos.
Los movimientos relativos de los hilos de la
urdimbre respecto a los hilos de la trama, como se ha mencionado,
se efectúan de forma definida. Pero también en un vellón se mueven
los hilos de forma relativa los unos a los otros, mediante el
dispositivo conforme a la invención, por cierto, al azar.
Un baño electrolítico preferido presenta una
serie de cilindros elípticos que están dispuestos por encima del
nivel del líquido, y respectivamente entre cada par de cilindros
elípticos está dispuesto un cilindro adicional que se encuentra por
debajo del nivel del líquido. Así la tela corre en un recorrido de
zig-zag, desde un cilindro elíptico al baño hacia un
cilindro adicional, y desde éste sale nuevamente del baño, siendo
el ángulo abrazado de aproximadamente 270º en cada uno de los
cilindros el que hace entrar en vigor el efecto completo de éstos.
Después de varios procesos de inmersión, por ejemplo, cinco, la tela
sale del baño electrolítico, estando todas las fibras metalizadas
en todo su contorno y no pegándose ninguna fibra con otra.
En otro aspecto, la presente invención se refiere
a un procedimiento para la fabricación de un recubrimiento sobre un
sustrato que comprende al menos una espinela que contiene litio,
aplicándose la espinela que contiene litio sobre el sustrato junto
con un metal o una aleación. El recubrimiento del sustrato se
aplica de manera exenta de corriente externa o por galvanización, a
partir de una solución acuosa de uno o varios compuestos iónicos
solubles del metal o de la aleación y una dispersión de la o las
espinela(s) que contiene(n) litio en la solución,
obtenida con la ayuda de un tensioactivo, obteniéndose entonces una
mezcla por dispersión.
En el caso de los compuestos iónicos solubles de
los metales y componentes metálicos de las aleaciones, generalmente
de trata de sales metálicas simples hidrosolubles. El compuesto
iónico del posible componente de aleación fósforo habitualmente es
un hipofosfito.
En el caso del sustrato, se trata de una tela a
la que se ha dado conductibilidad, de fibras en sí no
conductoras.
La tela de fibras en sí no conductoras, por
ejemplo, puede convertirse en tela conductora mediante la
aplicación exenta de corriente externa o por galvanización de una
cubierta conductora que está seleccionada entre metal, sulfuro y/o
polisulfuro metálico o un polímero conductor, aplicados mediante
galvanización, de manera exenta de corriente externa o por
aplicación mediante evaporación, por bombardeo iónico o por
deposición de vapores químicos.
La tela puede comprender un material que está
seleccionado entre poliéster,
poli-tetrafluoroetileno, poliamida, policarbonato,
polietilenimina, polietileno, polipropileno, fluoruro de
polivinilideno, fibras de aramida y fibras de perfluoroalcoxi.
El sustrato es una tela de fibras en sí no
conductoras, a las que, además de fibras de las sustancias
sintéticas nombradas precedentemente, también pertenecen fibras de
vidrio, fibras minerales y fibras cerámicas, que será tratado antes
de la aplicación exenta de corriente externa o por galvanización,
de la cubierta de metal o de aleación y espinela que contiene litio,
como fue descrito anteriormente en relación con la fabricación de
la tela conforme a la invención.
La espinela finamente distribuida es mantenida en
dispersión mediante un dispersante que preferentemente es un
tensioactivo aniónico como, por ejemplo, un tensioactivo usual en
el mercado, de la serie de aerosoles OT (Cyanamid, Alemania). En la
incrustación exenta de corriente externa o en la galvanización se
introduce entonces de forma finamente distribuida, dispersada, en el
metal o en la aleación que forman una matriz para la espinela
(incrustados a partir de los compuestos iónicos hidrosolubles). En
la matriz pueden introducirse hasta 8% o más, respecto al peso
total del recubrimiento, de espinela. La tasa exacta de
introducción puede controlarse mediante parámetros como una adición
especial de tensioactivo, una temperatura especial de incrustación
y una concentración especial de la espinela dispersada en la
solución.
La o las espinela(s) que
contiene(n) litio preferentemente está(n)
seleccionada(s) entre LiMn_{2}O_{4}, LiCoO_{2},
LiNiO_{2}, LiTiS_{2} y LiVSe_{2}.
Además de la espinela dispersada, en la mezcla
por dispersión también pueden estar adicionalmente presentes
dispersiones de carbono y/o dispersiones de un aglutinante inerte
de resina sintética y pueden ser introducidas junto con la espinela
en el metal o la aleación de matriz. El carbono sirve para la
protección del recubrimiento contra la corrosión y el aglutinante
inerte de resina sintética, entre otras cosas, sirve como una
especie de "parachoques" para el carbono, ya que en el uso de
los sustratos recubiertos conforme a la invención como cátodo de
iones de litio en una batería recargable (celda secundaria) los
iones de litio al descargarse la batería se intercalan en el carbono
y al cargarse la batería, se difunden nuevamente hacia afuera de
éste, por lo que se modifica el tamaño de las partículas de carbono.
Por esto existe el peligro de que el carbono se desintegre, peligro
que se elimina mediante el uso del aglutinante.
Como aglutinante inerte de resina sintética, por
ejemplo, pueden usarse poli-tetrafluoroetileno y
muy preferentemente, fluoruro de polivinilideno.
Como carbono, preferentemente se usa un carbono
con un tamaño en el intervalo de los nanómetros.
Además, la mezcla por dispersión habitualmente
contiene un ácido, preferentemente, ácido bórico. También puede
estar presente un hipoclorito en la mezcla, como agente
reductor.
Los metales o aleaciones de matriz, aplicados de
manera exenta de corriente externa o mediante galvanización,
preferentemente están seleccionados entre Ni, Cu, Al, Co, Ag, Au,
Pt, Pd, Ru, Rh, NiPCo, NiPMn, NiP, FeNiCr, NiWo, NiPWo, NiSn, CoSn,
NiMg y NiMo.
En vista del uso del sustrato recubierto como
cátodo de iones de litio, un recubrimiento muy preferentemente
comprende un metal que está seleccionado entre Ni, Al y Ag.
Además, el recubrimiento puede estar provisto de
otro recubrimiento de aluminio, plata, una aleación, titanio, con
un grosor de 10 a 100 nm o carbono, para inactivar. Esto es
particularmente ventajoso en el caso de un recubrimiento que
contiene níquel.
Las cantidades de los reactivos usados en una
galvanización en la mezcla por dispersión se encuentran
habitualmente dentro de los siguientes intervalos:
- -
- compuesto(s) iónico(s) soluble(s), en una cantidad total de 240 a 380 g/l de mezcla por dispersión;
- -
- la o las espinela(s) de litio, en una cantidad de 100 a 300 g/l de mezcla por dispersión;
- -
- el tensioactivo, en una cantidad de 1 a 2 ml/l de solución;
- -
- carbono, en caso de usarse, en una cantidad de 1 a 5 g/l de mezcla por dispersión;
- -
- aglutinante inerte de resina sintética, en caso de usarse, en una cantidad de 5 a 10 g/l de mezcla por dispersión;
- -
- ácido bórico, en una cantidad de 10-60 g/l de mezcla por dispersión;
- -
- hipofosfito, en caso de usarse, en una cantidad de 10 a 60 g/l de mezcla por dispersión.
Además, el pH de la mezcla por dispersión durante
la galvanización asciende preferentemente a 3-4 y
la temperatura a la que se efectúa la incrustación se encuentra,
por ejemplo, en 40-55ºC. Las densidades de corriente
que se usan se encuentran en el intervalo de 1 a 10,
preferentemente, de 2 a 5 A/dm^{2}.
El grosor del recubrimiento incrustado
preferentemente se encuentra en el Intervalo de 0,5 \mum a 15
\mum.
También pueden aplicarse varios de tales
recubrimientos sobre un sustrato.
La invención también comprende un sustrato de una
tela de fibras en sí no conductoras, a la que se ha dado
conductibilidad, que presenta un recubrimiento que comprende un
metal o una aleación y una o varias espinela(s) que
contiene(n) litio que está(n) embutida(s) en el metal
o en la aleación. Aquí el metal o la aleación preferentemente están
seleccionados entre Ni, Cu, Al, Co, Ag, Au, Pt, Pd, Ru, Rh, NiPCo,
NiPMn, NiP, FeNiCr, NiWo, NiPWo, NiSn, CoSn, NiMg y NiMo y la o las
espinela(s) preferentemente está(n) seleccionada(s)
entre LiMn_{2}O_{4}, LiCoO_{2}, LiNiO_{2}, LiTiS_{2} y
LiVSe_{2}.
Las fibras no conductoras de la tela
preferentemente comprenden fibras de vidrio, fibras minerales,
fibras cerámicas o fibras sintéticas. Las fibras sintéticas
preferentemente comprenden un material que está seleccionado entre
poliéster, poli-tetrafluoroetileno, poliamida,
policarbonato, polietilenimina, polietileno, polipropileno,
fluoruro de polivinilideno, fibras de aramida y fibras de
perfluoroalcoxi.
El recubrimiento además puede contener carbono
y/o un aglutinante inerte de resina sintética, tratándose en este
último caso preferentemente de fluoruro de polivinilideno.
Los sustratos recubiertos que pueden obtenerse
mediante el procedimiento descrito precedentemente son usados
preferentemente como cátodos en baterías de iones de litio. Las
ventajas de estos cátodos consisten en que puede aplicarse la masa
activa junto con el material esencial para la descarga, en un grosor
de capa deseado, lo que da por resultado un material compuesto muy
compacto con una capa prácticamente exenta de poros.
También pueden fabricarse ánodos que sean útiles
para una batería de iones de litio, mediante una incrustación a
partir de una dispersión sobre uno de los sustratos nombrados
anteriormente. Un ejemplo típico para esto es un ánodo recubierto
por cobre/grafito.
La composición de la mezcla por dispersión para
una incrustación por galvanización, por ejemplo, es la
siguiente:
- -
- 160 a 240 g/l de una sal de cobre soluble, por ejemplo, sulfato de cobre
- -
- 40 a 100 g/l de ácido sulfúrico
- -
- 30 a 150 mg/l de un cloruro (por ejemplo, cloruro de sodio)
- -
- 100 a 150 g/l de grafito y
- -
- 1-2 ml/l de tensioactivo.
El procedimiento de galvanización preferentemente
se lleva a cabo a una temperatura de 20 a 40ºC y con una intensidad
de corriente en el intervalo de 1 a 10, preferentemente de 2 a 5
A/dm^{2}. Con las cantidades de grafito indicadas pueden
obtenerse tasas de introducción del grafito en el cobre de 1,5 a 3%
en peso, respecto al peso total del recubrimiento.
A partir de estos cátodos y ánodos, que
habitualmente contienen en una única capa el material conductor
importante para la descarga, así como la masa activa catódica o, en
su caso anódica, puede fabricarse una batería completa de iones de
litio. Los ánodos y los cátodos aquí presentan un grado máximo de
compactibilidad y un recubrimiento prácticamente exento de
poros.
Se somete la tela de fibras no conductoras de la
electricidad de la manera descrita a un plasma atmosférico, de esta
manera se limpia la superficie y se mordenta, de manera que sea
susceptible para otros tratamientos.
En un activador de la siguiente composición:
\newpage
0-5% | 2-propanol |
10-25% | 2-amino-etanol |
a una temperatura de
50-80ºC, durante 5-10 min., se logra
un recubrimiento uniforme de la superficie de las fibras y se
promueve la absorción de los gérmenes de paladio en el paso
siguiente.
En la activación de la superficie de las fibras
se absorben compuestos coloidales de paladio en la superficie. Se
usan:
6 g/l | Cloruro de estaño |
20 - 00 ppm | Paladio |
La temperatura asciende de temperatura ambiente
hasta 50ºC, la duración del tratamiento asciende a
3-10 min.
En el dibujo adjunto se muestra de forma
esquemática un ejemplo de realización de un dispositivo para
metalizar tela según la invención, así como una representación
esquemática de baterías de iones de litio; allí
La figura 1 es una representación completa en
sección del dispositivo,
La figura 2 es una representación en sección
ampliada de la secuencia de los cilindros en el baño galvánico,
La figura 3 es una vista en planta del cilindro
inferior de la secuencia de cilindros de la figura 2,
La figura 4 es una representación esquemática en
perspectiva de una batería de iones de litio con electrodos de
laminado de capa delgada y
La figura 5 es una representación esquemática en
sección de una batería de iones de litio con electrodos de laminado
de capa delgada.
La figura 1 muestra un dispositivo para fabricar
una tela metalizada. Una tira de tela tejida 10 de material
sintético está ceñida sobre un rollo de reserva 11 que se
desenrolla, y se mueve continuamente en el sentido de la flecha y
sucesivamente
- -
- a través de una cámara de plasma 1, en la que el plasma atmosférico actúa sobre la tela 10, la limpia y la activa,
- -
- a través de un baño de acondicionamiento 2, que abre la superficie de las fibras y la prepara para la activación subsiguiente,
- -
- a través de un baño de enjuague 3,
- -
- a través de un baño activante 4, en el que se absorben compuestos coloidales de paladio en la superficie,
- -
- a través de un baño de metalización exenta de corriente externa (química), en el que se confiere conductibilidad a la superficie de las fibras,
- -
- a través de otro baño de enjuague 6,
- -
- a través de un baño electrolítico 7, galvánico o exento de corriente externa, en el que se realiza la aplicación de metal sobre las fibras,
- -
- aún otro baño de enjuague 8 y
- -
- a través de un pozo horizontal de secado 9
- -
- sobre el rollo para enrollar 12.
Las rutas de transporte de la cámara de plasma
atmosférico 1 y del pozo de secado 9 se encuentran a la misma
altura; a esta altura también están dispuestos los cilindros
inversores 13 que desvían la tela 10, que llega de forma
horizontal, hacia el baño 2 - 8 o conducen la tela 10 que sale de
este baño 2 - 8 hacia la posición horizontal y hacia el siguiente
cilindro inversor 13.
En cada baño 2 - 8, cerca del fondo de éste se
encuentra al menos un cilindro sumergido 14, cuyo eje corre de
forma paralela respecto a los ejes de los cilindros inversores 13 y
de los rollos para enrollar 11, 12. En cada uno de los baños 2 - 6
y 8 respectivamente está dispuesto un cilindro sumergido 14, al que
respectivamente están asignados dos cilindros inversores 13; en el
baño electrolítico 7 están dispuestos cinco cilindros sumergidos
14, a los que están asignados seis cilindros inversores 13.
La tela 10 se desenrolla del rollo 11, atraviesa
todos los baños en trayectoria de zig-zag, así como
de forma horizontal la cámara de plasma 1 y el pozo de secado 9 y
es enrollada sobre el rollo 12.
Por lo menos los cilindros inversores 13 que
están asignados al baño electrolítico 7 tienen sección transversal
elíptica. Cada uno de los dos cilindros inversores 13 asignados a
un cilindro sumergido 14, tiene su sección transversal dispuestas
de tal manera que los ejes mayores de las secciones transversales
elípticas son perpendiculares el uno respecto al otro (figura
2).
El cilindro sumergido 14 hacia abajo puede estar
cargado por un resorte para mantener constantemente la tira de tela
10 de forma fuertemente tensionada.
El cilindro sumergido 14 tiene un perfil en su
contorno en forma de estrías elípticas 15, es decir, dispuestas de
forma oblicua (figura 3).
Cuando la tira de tela 10 corre sobre los
cilindros 13 y 14, que están configurados de forma correspondiente
a las figuras 2 y 3, la tira 10 es extendida de forma rítmica entre
cilindros elípticos 13 vecinos y simultáneamente es movida en
dirección transversal mediante el perfil 15 del cilindro sumergido
14. En cierto modo, el tejido "respira" en su movimiento sobre
los cilindros 13,14.
Estos cilindros 13 y 14, configurados de manera
especial, en primer término están asignados al baño electrolítico
7, donde deben cuidar de que las fibras no se peguen unas con otras
en los lugares de cruce. Pero también son útiles en los otros baños
2 - 6 y 8 porque el movimiento de las fibras promueve el rápido
humedecimiento de la tela 10 en el respectivo baño y por ello hace
que el tratamiento de la tela 10 se efectúe más uniformemente y lo
acorta.
Algunos o todos los cilindros 13, 14 pueden ser
impulsados, al igual que el rollo de enrollado 12. El rollo de
desenrollado 11 puede estar provisto de un freno. La altura de los
cilindros 14 puede ser establecida individualmente para ajustar de
esta manera el tiempo de espera de la tela 10 en el baño
correspondiente.
Claims (35)
1. Batería o pila de combustible que comprenden
una tela metalizada de fibras no conductoras de la electricidad,
para un electrodo, caracterizadas porque toda la superficie
de las fibras está recubierta por un metal o por una aleación, con
un grosor de 0,5 \mum a 15 \mum y las fibras pueden desplazarse
unas respecto a otras.
2. Batería o pila de combustible que comprenden
una tela metalizada de fibras no conductoras de la electricidad,
según la reivindicación 1, caracterizadas porque toda la
superficie de las fibras lleva un recubrimiento de metal o de una
aleación, aplicado de manera exenta de corriente externa o por
galvanización.
3. Batería o pila de combustible que comprenden
una tela metalizada de fibras no conductoras de la electricidad,
según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizadas
porque las fibras comprenden fibras de vidrio, fibras minerales,
fibras cerámicas y/o fibras sintéticas.
4. Batería o pila de combustible que comprenden
una tela metalizada de fibras no conductoras de la electricidad,
según la reivindicación 3, caracterizadas porque las fibras
sintéticas comprenden fibras de poliéster,
poli-tetrafluoroetileno, poliamida, policarbonato,
polietilenimina, polietileno, polipropileno, fluoruro de
polivinilideno, fibras de aramida y/o fibras de
perfluoroalcoxi.
5. Batería o pila de combustible que comprenden
una tela metalizada de fibras no conductoras de la electricidad,
según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizadas
porque el metal o la aleación están seleccionados entre el grupo
compuesto por Ni, Cu, Al, Co, NiPCo, NiPMn, NiP, FeNiCr, NiWo,
NiPWo, NiSn, CoSn, NiMg, NiMo, Ag, Au, Pt, Pd, Ru y Rh.
6. Batería que comprende una tela metalizada de
fibras no conductoras de la electricidad, según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque sobre ésta
además está aplicado, de manera exenta de corriente externa o por
galvanización, un recubrimiento que contiene al menos una o varias
espinela(s) que contiene(n) litio y un metal de matriz
o una aleación de matriz.
7. Batería que comprende una tela metalizada de
fibras no conductoras de la electricidad, según la reivindicación
6, caracterizada porque la o las espinela(s) está(n)
seleccionada(s) entre el grupo compuesto por
LiMn_{2}O_{4}, LiCoO_{2}, LiNiO_{2}, LiTiS_{2} y
LiVSe_{2}.
8. Batería que comprende una tela metalizada de
fibras no conductoras de la electricidad, según las
reivindicaciones 6 ó 7, caracterizada porque el
recubrimiento además contiene carbono.
9. Batería que comprende una tela metalizada de
fibras no conductoras de la electricidad, según una de las
reivindicaciones 6 a 8, caracterizada porque el
recubrimiento además contiene un aglutinante inerte de resina
sintética.
10. Batería que comprende una tela metalizada de
fibras no conductoras de la electricidad, según la reivindicación
9, caracterizada porque el aglutinante de resina sintética
es fluoruro de polivinilideno.
11. Batería que comprende una tela metalizada de
fibras no conductoras de la electricidad, según una de las
reivindicaciones 6 a 10, caracterizada porque el metal de
matriz o la aleación de matriz están seleccionados entre Ni, Cu,
Al, Co, Ag, Au, Pt, Pd, Ru, Rh, NiPCo, NiPMn, NiP, FeNiCr, NiWo,
NiPWo, NiSn, CoSn, NiMg y NiMn.
12. Batería que comprende una tela metalizada de
fibras no conductoras de la electricidad, según una de las
reivindicaciones 6 a 11, caracterizada porque el
recubrimiento está recubierto por otro recubrimiento de aluminio,
plata de una aleación o titanio, con un grosor de 10 a 100 nm.
13. Procedimiento para la fabricación de una tela
metalizada según una de las reivindicaciones 1 a 12,
caracterizado porque se somete una tela de fibras no
conductoras a los siguientes pasos:
- 1.
- mordentado y limpieza de la superficie
- 2.
- aplicación exenta de corriente externa, por galvanización o química exenta de humedad, de un recubrimiento conductor de la electricidad, y
- 3.
- aplicación de metal exenta de corriente externa o por galvanización, con un movimiento simultáneo relativo de las fibras unas respecto a las otras;
- ascendiendo el grosor del recubrimiento metálico a 0,5 hasta 15 \mum.
14. Procedimiento según la reivindicación 13,
caracterizado porque el paso 2) consiste en la aplicación de
sulfuros y polisulfuros, preferentemente, de cobalto, manganeso,
estaño, con un enjuague intermedio y una inmersión posterior en una
solución de un reticulante que contiene sulfuros y una capa
firmemente adherente de sulfuro/polisulfuro metálico, generada de
esta manera.
15. Procedimiento según la reivindicación 13,
caracterizado porque el paso 2) está compuesto por los
siguientes tres sub-pasos:
- a)
- acondicionamiento de la superficie,
- b)
- activación de la superficie, y
- c)
- metalización exenta de corriente externa o por galvanización.
16. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el paso 1) se
realiza mediante la aplicación de plasma atmosférico.
17. Procedimiento según la reivindicación 16,
caracterizado porque se transporta la tela a través de una
zona de plasma atmosférico mediante un procedimiento continuo.
18. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque se efectúa la
activación (paso b) mediante un compuesto de paladio coloidal.
19. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 13 a 18, caracterizado porque el paso 3), a
saber, la aplicación de metal exenta de corriente externa o por
galvanización, con el movimiento simultáneo relativo de las fibras
unas respecto a otras, se lleva a cabo mediante un procedimiento de
paso continuo.
20. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque además
comprende la aplicación sobre la tela metalizada de un
recubrimiento que comprende un metal o una aleación y una o varias
espinela(s) que contiene(n) litio, aplicándose el
recubrimiento de manera exenta de corriente externa o por
galvanización, a partir de una solución acuosa de uno o varios
compuestos iónicos solubles del metal o de la aleación y una
dispersión de la o las espinela(s) que contiene(n)
litio en la solución, obtenida con ayuda de un tensioactivo, y que
de esta manera se convierte en una mezcla acuosa por
dispersión.
21. Procedimiento según la reivindicación 20,
caracterizado porque en la mezcla por dispersión además está
dispersado carbono, que se aplica simultáneamente con el metal o la
aleación y la o las espinela(s), de manera exenta de
corriente externa o por galvanización.
22. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 20 ó 21, caracterizado porque en la mezcla
por dispersión además está dispersado un aglutinante inerte de
resina sintética, que se aplica simultáneamente con el metal o la
aleación, con la o las espinela(s) y, dado el caso, el
carbono, de manera exenta de corriente externa o por
galvanización.
23. Procedimiento según 22, caracterizado
porque en el caso del aglutinante inerte de resina sintética se
trata de poli-tetrafluoroetileno o fluoruro de
polivinilideno.
24. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 20 a 23, caracterizado porque en el caso
del tensioactivo se trata de un tensioactivo aniónico.
25. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 20 a 24, caracterizado porque el metal o la
aleación están seleccionados entre el grupo compuesto por Ni, Cu,
Al, Co, Ag, Au, Pt, Pd, Ru, Rh, NiPCo, NiPMn, NiP, FeNiCr, NiWo,
NiPWo, NiSn, CoSn, NiMg y NiMo.
26. Procedimiento según la reivindicación 25,
caracterizado porque el metal comprende un metal que está
seleccionado entre el grupo compuesto por Ni, Al y Ag.
27. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 20 a 26, caracterizado porque el
recubrimiento está provisto de otro recubrimiento de aluminio,
plata, titanio, con un grosor de 10 a 100 nm o de carbono.
28. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 20 a 27, caracterizado porque la o las
espinela(s) que contiene(n) litio está(n)
seleccionada(s) entre el grupo compuesto por
LiMn_{2}O_{4}, LiCoO_{2}, LiNiO_{2}, LiTiS_{2} y
LiVSe_{2}.
29. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 20 a 28, caracterizado porque la mezcla por
dispersión además contiene ácido bórico.
30. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 20 a 29, caracterizado porque la mezcla por
dispersión además contiene un hipofosfito.
31. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 20 a 30, caracterizado porque
el(los) compuesto(s)
\hbox{iónico(s)}soluble(s) está(n) presente(s) en una cantidad total de 240 a 380 g/l de mezcla por dispersión, la o las espinela(s) de litio está(n) presente(s) en una cantidad de 100 a 300 g/l de mezcla por dispersión y el tensioactivo está presente en una cantidad de 1 a 2 ml/l de mezcla por dispersión en la mezcla acuosa por dispersión.
\newpage
32. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 21 a 31, caracterizado porque el carbono
está presente en una cantidad de 1 a 5 g/l de solución en la mezcla
acuosa por dispersión.
33. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 22 a 32, caracterizado porque el
aglutinante de resina sintética está presente en una cantidad de 5
a 10 g/l de solución en la mezcla acuosa por dispersión.
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DE10031633 | 2000-06-29 |
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