ES2306761T3 - Bateria secundaria con dendritas autoliticas. - Google Patents

Bateria secundaria con dendritas autoliticas. Download PDF

Info

Publication number
ES2306761T3
ES2306761T3 ES02719005T ES02719005T ES2306761T3 ES 2306761 T3 ES2306761 T3 ES 2306761T3 ES 02719005 T ES02719005 T ES 02719005T ES 02719005 T ES02719005 T ES 02719005T ES 2306761 T3 ES2306761 T3 ES 2306761T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
battery
acid
separator
zinc
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
ES02719005T
Other languages
English (en)
Inventor
Robert Eda Inc. CLARKE
Brian Eda Inc. DOUGHERTY
Stephen EDA Inc. HARRISON
J. Peter Eda Inc. MILLINGTON
Samaresh Eda Inc. MOHANTA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plurion Ltd
Original Assignee
Plurion Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plurion Ltd filed Critical Plurion Ltd
Application granted granted Critical
Publication of ES2306761T3 publication Critical patent/ES2306761T3/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/04Cells with aqueous electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/04Cells with aqueous electrolyte
    • H01M6/045Cells with aqueous electrolyte characterised by aqueous electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0002Aqueous electrolytes
    • H01M2300/0005Acid electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

Una batería que comprende: una célula con un electrolito ácido, en donde la célula está dividida por lo menos parcialmente por un separador permeable de H+ en un compartimiento de ánodo y un compartimiento de cátodo; en donde el electrolito ácido en el compartimiento de ánodo comprende zinc y en donde el electrolito ácido en el compartimiento de cátodo comprende un elemento que se oxida durante la carga de la batería, y en donde la oxidación del zinc y reducción del elemento oxidado produce corriente proporcionada por la batería; en donde el elemento oxidado forma una sal con un ácido, con lo que aumenta una concentración de H+ en el compartimiento de cátodo suficiente para promover un flujo de H+ en el compartimiento de ánodo a través del separador; y en donde el flujo de H+ a través del separador es suficiente para desintegrar una dendrita de zinc proximal al separador.

Description

Batería secundaria con dendritas autolíticas.
Campo del invento
El campo del invento es baterías, y especialmente baterías secundarias en donde zinc forma un acoplamiento redox con un elemento secundario.
Antecedentes del invento
Se conocen muchos tipos de barias secundarias y otras células de energía, basadas en una gama relativamente amplia de pares eléctricos, y entre los pares eléctricos mas populares son los que contienen zinc.
Por ejemplo, zinc puede formar un par redox con níquel para proporcionar un sistema redox recargable. Si bien muchas baterías de zinc/níquel recargables exhiben con frecuencia una buena relación potencia frente a peso, persisten varios problemas del par redox zinc/níquel. Entre otras dificultades estas baterías tienden a tener una vida de ciclo comparablemente pobre del electrodo de zinc. Además se sabe que el níquel es un carcinógeno en forma soluble en agua, y así problemático en producción y desecho.
Para eludir por lo menos algunos de los problemas con toxicidad, puede combinarse zinc con óxido de plata para formar una batería secundaria. Las baterías de zinc/plata recargables tienen con frecuencia una energía y densidad de potencia relativamente alta. Además estas baterías operan típicamente de modo eficaz a ratios de descarga extremadamente altos y generalmente tienen una vida de almacenamiento en seco relativamente prolongada. Sin embargo, el costo relativamente alto del electrodo de plata generalmente limita el uso de baterías de zinc/plata a aplicaciones en donde la alta densidad de energía es un requisito primordial.
En otra batería secundaria relativamente común el zinc se sustituye por cadmio y forma un acoplamiento redox con níquel. Estas baterías de níquel/cadmio son típicamente de fabricación económica, exhiben una relación de potencia frente a peso relativamente buena, y no requieren mantenimiento que no sea la recarga. Sin embargo cadmio es un elemento tóxico conocido y por ello aumenta los problemas asociados con la salud y riesgos ambientales. Así pues, a pesar del uso relativamente extendido de baterías secundarias persisten numerosos problemas, y especialmente problemas asociados con toxicidad y relativamente alto costo.
Todavía además todas o casi todas las baterías secundarias conocidas precisan ser operadas sobre varios ciclos de carga/descarga bajo condiciones en donde el compartimiento de cátodo se separa del compartimiento de ánodo por un separador. La pérdida de la separación resultará típicamente en la deposición electrolítica de uno o mas componentes del electrolito sobre el electrodo de batería y así disminuye dramáticamente la prestación de estas baterías.
Desafortunadamente el zinc contenido de la mayoría de electrolitos conteniendo zinc tiene tendencia a formar dendritas de zinc durante la carga, en donde el desarrollo de dentrita típicamente procede hacia el separador y frecuentemente resulta en contacto, sino aún deterioro para el separador. Así pues la prevención de desarrollo de dendrita de zinc ha recibido una atención considerable durante los recientes años y se han llevado a cabo varios intentos de reducir el riesgo asociado con el desarrollo de dendrita.
En un enfoque se utilizan aditivos de electrolito para impedir la formación de dendrita. Por ejemplo, en la patente U.S. nº 3.793.079 los inventores describen la adición de varios compuestos orgánicos que tienen un éter de oxígeno y un grupo sulfonamida para reducir la formación de dendrita. Alternativamente, como se describe en la patente U.S. nº 3.811.946 el producto de reacción de una amina y un aldehido se utilizan como aditivos orgánicos para reducir la formación de dendrita. Otras composiciones conocidas para la reducción de dendritas incluyen benzotriazol, bencen sulfonamida, toluen sulfonamida, clorotoluen sulfonamida y tiourea. Sin embargo, si bien por lo menos algunos de los compuestos conocidos operan relativamente bien para el fin previsto surgen nuevas dificultades. Entre otras por lo menos alguno de los compuestos conocidos exhiben oxidación y/o descomposición mediante agentes oxidantes en la mayoría de baterías recargables. Además, estos compuestos pueden interferir con la inversabilidad de los electrodos. Además, se ha encontrado que algunos aditivos tienden a precipitar o formar sal durante la recarga repetida.
En otro enfoque pueden utilizarse tensoactivos para reducir la formación de dendrita como se describe, por ejemplo en la patente U.S. nº 4.074.028 y 4.040.916. Aquí la formación de una capa de zinc no-dendrítica se obtiene incluyendo 0,001 a 10 por ciento en peso de un aditivo tensoactivo no iónico (oxaalquil o polioxaalquil perfluoroalcan sulfonamida) en el electrolito conteniendo zinc. Si bien tensoactivos pueden operar de modo satisfactorio para varias aplicaciones de deposición electrolítica y de batería durante un periodo relativamente corto, la degradación electroquímica (y otros) limitarán eventualmente la utilidad de estos compuestos, especialmente en electrolitos ácidos.
Si bien se conocen en el arte numerosas baterías secundarias, todas o casi todas sufren de una o mas desventajas. Particularmente la prestación de baterías secundarias conocidas disminuirá de modo significante cuando el anolito y catolito de estas baterías se mezcla inadvertidamente debido al desarrollo de dendrita que daña el separador. Por consiguiente existe todavía la necesidad de proporcionar baterías mejoradas.
Sumario del invento
El presente invento se dirige a una batería que comprende un compartimiento de cátodo y un compartimiento de ánodo y un electrolito conteniendo zinc, en donde la batería se configura de modo que dendritas de zinc que se desarrollan a partir del ánodo se desintegren proximal al separador que separa el compartimiento de cátodo y ánodo.
Las baterías contempladas especialmente incluyen una célula con un electrolito ácido, en donde la célula está por lo menos parcialmente dividida por un separador permeable H+ en un compartimiento de ánodo y un compartimiento de cátodo. en donde el electrolito ácido en el compartimiento de ánodo comprende zinc, y en donde el electrolito ácido en el compartimiento de cátodo comprende un elemento que se oxida durante la carga de la batería, en donde el elemento oxidado forma una sal con un ácido, con lo que aumenta una concentración de H^{+} en el compartimiento de cátodo suficiente para promover un flujo de H^{+} en el compartimiento de ánodo a través del separador, y en donde el flujo de H^{+} a través del separador es suficiente para desintegrar una dendrita de zinc próximal al separador.
En un aspecto del objeto del invento los electrolitos de ácido contemplados comprenden un ácido orgánico o ácido inorgánico (por ejemplo ácido metan sulfónico, ácido trifluorometan sulfónico, ácido perclórico, ácido nítrico, ácido clorhídrico, o ácido sulfúrico), y los ácidos orgánicos particularmente preferidos incluyen ácido metan sulfónico a una concentración de por lo menos 2,5 a alrededor 4 M y aún superior. Los separadores preferidos incluyen los que comprenden un polímero perfluorado que incluye grupos sulfónicos y/o carboxílicos.
En otro aspecto del objeto del invento, los elementos contemplados en el compartimiento de cátodo incluyen particularmente lantánidos y especialmente los lantánidos preferidos incluyen cerio, praseodimio, neodimio, terbio, y disprosio. Así pues las baterías contempladas incluirán generalmente un ánodo, un cátodo, un separador y un electrolito ácido en donde zinc y un lantánido forman un par redox, en donde la batería se configura de modo que durante la carga de la batería se genere un flujo H^{+} a través del separador que desintegra una dendrita de zinc próxima al separador.
Varios objetos, características, aspectos y ventajas del presente invento resultarán evidentes a partir de la descripción detallada que sigue de realizaciones preferidas del invento, junto con el dibujo que se acompaña.
Breve descripción del dibujo
La figura 1 es una vista esquemática de una batería de ejemplo durante carga.
Descripción detallada
Los inventores han descubierto que una batería con un electrolito ácido conteniendo zinc puede fabricarse de modo que se desintegren en la proximidad del separador de la batería dendritas que se desarrollen a partir del ánodo durante la carga.
Como aquí se utiliza el término "ánodo" se refiere al electrodo negativo de una batería (o sea, el electrodo en donde se produce la oxidación) durante la descarga de la batería. Así pues, el término "compartimiento de ánodo" se refiere al compartimiento de batería que incluye el ánodo, y el término "anolito" se refiere al electrolito en el compartimiento de ánodo. De modo análogo el término "cátodo" se refiere al electrodo positivo de una batería (o sea el electrodo en donde se produce la reducción) durante la descarga de la batería. Así pues, el término "compartimiento de cátodo" se refiere al compartimiento de batería que incluye el cátodo, y el término "catolito" se refiere al electrolito en el compartimiento de cátodo.
Tal como aquí se utiliza el término "par redox" se utiliza de forma intercambiable con el término "acoplamiento redox" y se refiere a una combinación de un primer elemento (o ión del primer elemento) y segundo elemento (o ión del segundo elemento) en una batería, en donde la reducción del primer elemento y oxidación del segundo elemento produce la corriente proporcionada por la batería. El término "primer elemento" como aquí se utiliza se refiere a un elemento químico que puede estar en forma iónica así como en forma no iónica. Por ejemplo, un primer elemento preferido es zinc, que puede estar presente como zinc metálico (por ejemplo galvanizado) así como zinc iónico (por ejemplo como Zn^{2+} en una sal con un anión de un ácido orgánico).
De modo similar el término "segundo elemento" se refiere a un elemento químico que puede adoptar forma iónica así como forma no iónica. Por ejemplo, un segundo elemento preferido es cerio, que puede estar presente en una primera forma iónica (por ejemplo, Ce_{3+} en una sal con un anión de un ácido orgánico), así como en una segunda forma iónica (por ejemplo como Ce^{4+} en una sal con un anión de un ácido orgánico). Además se contempla generalmente que el primer y segundo elementos sean químicamente distintos, o sea, no sean los mismos elementos químicos en un estado de oxidación diferente. Además todavía se apreciará que el término elemento incluye también combinación de un elemento con un segundo elemento (o mas) para formar una molécula. Por ejemplo elementos apropiados incluyen también óxidos de metal o hidruros metálicos.
Como se utiliza también aquí el término "H^{+}-flujo a través del separador" se refiere a una migración neta de iones de H^{+} a través del separador, en donde la fuerza impulsora de la migración incluye por lo menos uno de un gradiente de concentración y una fuerza electroforética (atracción eléctrica debida a polaridad eléctrica opuesta). El término "proximal al separador" como aquí se utiliza se refiere a proximidad espacial de un objeto (por ejemplo una dendrita) al separador, en donde el objeto se sitúa generalmente entre el ánodo y el separador, y típicamente dentro de 1 cm del separador, mas típicamente dentro de 5 mm del separador y mas típicamente dentro de 3 mm o menos del separador. Así pues el término proximal al separador también incluye contacto del objeto con el separador.
Tal como aquí se utiliza también el término "desintegra la dendrita de zinc" generalmente se refiere a cambiar la morfología de una dendrita de zinc de modo que la dendrita de zinc cambiada pierde la capacidad de perforar o de otro modo penetrar el separador. Mas típicamente el cambio de morfología se automanifestará macroscópicamente como un desmenuzado de una dendrita de zinc, sin embargo, se contemplan también cambios microscópicos bajo el alcance de esta definición.
En un aspecto particularmente preferido del objeto del invento en la figura 1 se expone una batería de ejemplo con dendritas autolíticas. Aquí la batería 100 tiene una célula 101 que está por lo menos parcialmente dividida por el separador 130 en un compartimiento de ánodo 110 y un comportamiento de cátodo 120. Ambos compartimientos de ánodo y cátodo incluyen ácido metansulfónico 130 en el elecrolito ácido 102, en donde el anión del ácido metansulfónico (MSA) acompleja la forma iónica de zinc (Zn^{2+}) 111 A y cerio (Ce^{3+/4+}) 121B y 121A, respectivamente. El compartimiento de ánodo 110 comprende además el ánodo 160 que se cubre por lo menos parcialmente por zinc metálico galvanizado no iónico (Zn^{0}) 111B. El compartimiento de cátodo 120 comprende el cátodo 170. El ánodo 160 y el cátodo 170 se acoplan eléctricamente del ánodo al cátodo durante la carga de la batería. Durante la carga se forman dendritas 150 en el ánodo 160 hacia el separador 130 y se desintegran bajo el flujo H^{+} 140 del compartimiento de cátodo 120 al compartimiento de ánodo 110.
Así pues, una batería particularmente preferida puede comprender una célula con un electrolito ácido, en donde la célula se divide por lo menos parcialmente por un separador permeable H^{+} en un compartimiento de ánodo y un compartimiento de cátodo, en donde el electrolito ácido en el compartimiento de ánodo comprende zinc, y en donde el electrolito ácido en el compartimiento de cátodo comprende un elemento que se oxida durante la carga de la batería, en donde el elemento oxidado forma una sal (o sea, forma un enlace complejo) con un ácido, con lo que aumenta una concentración de H^{+} en el compartimiento de cátodo suficiente para promover un flujo de H^{+} en el compartimiento de ánodo a través del separador, y en donde el flujo de H^{+} a través del separador es suficiente para desintegrar una dendrita de zinc proximal al separador. Visto desde otra perspectiva, baterías preferidas incluirán un ánodo, un cátodo, un separador y un electrolito ácido en donde zinc y una lantánida forman un par redox, en donde la batería se configura de modo que durante la carga de la batería se genera un flujo de H^{+} a través del separador que desintegra una dendrita de zinc proximal al separador.
Como aquí se utiliza el término "la batería se carga" se refiere a un proceso en donde se reduce un elemento y el otro elemento se oxida proporcionando una corriente eléctrica de modo que después de la carga la reducción de un elemento y oxidación del otro elemento produce una corriente en la batería. Visto desde otra perspectiva, las reacciones redox electroquímicas en la batería durante la descarga se invierten durante la carga proporcionando corriente eléctrica a la batería.
Se contempla generalmente que en baterías de conformidad con el objeto del invento se disolverá zinc en el electrolito después de descarga de la batería, en donde por lo menos algunos iones de zinc se acomplejaran con un anión de un ácido (por ejemplo ácido metan sulfónico). Por consiguiente, el protón del ácido se sustituirá por un enlace complejo (o sea un enlace a modo de sal, no covalente) con el ión de zinc. Durante la carga por lo menos algunos de los iones de zinc acomplejados recibirán electrones del ánodo, y así se electrodepositarán sobre el ánodo. De modo similar los iones de cerio^{3+} se oxidarán durante la carga a iones de cerio^{4+}, en donde la carga positiva adicional se compensa por un enlace complejo con un anión de un ácido. Así pues, la oxidación del cerio liberará concurrentemente H^{+} del ácido. Las ecuaciones (I) y (II) que siguen exponen de modo esquemático las reacciones redox durante la descarga y carga.
100
En un sistema redox Zn/Ce de ejemplo utilizando ácido metansulfónico como un componente en el electrolito, se contempla que se produzcan las reacciones siguientes durante la carga (las reacciones se invierten con la descarga):
101
Así pues, se reconocerá especialmente que utilizando cerio en las baterías contempladas pueden obtenerse diversas propiedades ventajosas. Entre otras el potencial redox estandard de los elementos en sistemas redox contemplados (por ejemplo Ce/Zn) permitirá la operación normal de estas baterías aún si se mezcla el electrolito del ánodo y del cátodo. Como aquí se utiliza el término "electrolito mezclado" se refiere a un electrolito en donde el primer y segundo elemento están presentes en el mismo compartimiento (o sea el compartimiento de ánodo y/o cátodo) bajo condiciones operativas normales (o sea, cuando se carga la batería y/o descarga sin reducción sustancial (o sea mas del 10%) de la prestación del electrodo y/o capacidad de la batería). El término "condición operativa normal" como aquí se utiliza excluye específicamente la operación durante la cual se ha perforado accidentalmente un separador (por ejemplo durante la carga).
Con respecto al primer elemento en el acoplamiento redox (aquí: Ce) se contempla que elementos apropiados no han de limitarse necesariamente a cerio, y se contempla generalmente que elementos alternativos incluyan también varios lantánidos, y especialmente praseodimio, neodimio, terbio, y disprosio. Alternativamente, lantánidos apropiados pueden incluir también sumario, europio, tulio e iterbio.
Cuando se utiliza un lantánido distinto de cerio como el miembro redox para zinc se contempla generalmente que la concentración de lantánido alternativo dependerá típicamente, entre otros factores, de la solubilidad del lantánido particular y/o la concentración de un agente acomplejante (por ejemplo contra ión, ligando mono- o polidentado, etc.). Así pues, se contempla que concentraciones apropiadas de lantánidos sin cerio contemplados estarán típicamente en la gama de 10 micromoles (y aún menos) hasta la concentración de saturación del lantánido particular (hasta 3 M, y aún superior) en el electrolito.
Además se reconocerá que el costo de producción de baterías contempladas podría reducirse de modo significante utilizando mezclas de lantánido (o sea adicionando por lo menos un lantánido adicional a un par redox de lantánido-zinc). Por ejemplo, se contempla que mezclas de lantánido apropiadas incluyen mezclas que se producen en estado natural (por ejemplo Bastnasite o Monazite), fracciones enriquecidas (por ejemplo concentrado de Cerio o concentrado de Lántano), o mezclas con cantidades predeterminadas de dos o mas lantánidos. Mezclas de lantánidos como elemento redox con zinc se consideran especialmente ventajosas cuando estas mezclas incluyen elementos con comportamiento electroquímico similar, o cuando estas mezclas incluyen una fracción predominante (por ejemplo superior a 80% molar) de un lantánido con un comportamiento electroquímico deseado. Numerosos aspectos adicionales de primeros elementos alternativos se describen en la patente PCT titulada "Lanthanide Batteries" de Lewis Clarke, Brian J. Dougherty, Stephen Harrison, J. Peter Millington y Samaresh Mohanta, que se depositó el, o entorno del, 12 de febrero de 2002, y que se incorpora aquí como referencia.
Con respecto a la cantidad de cerio se contempla que la concentración de iones de cerio pueda variar considerablemente y puede estar generalmente en la gama comprendida entre un micromolar (y aún menos) y la concentración de saturación máxima del ión de cerio particular. Sin embargo se prefiere que la concentración de iones de cerio en el electrolito sea por lo menos 0,2 M, mas preferentemente por lo menos 0,5 M, y mas preferentemente por lo menos 0,7 M. Visto desde otra perspectiva, se contempla que las concentraciones de iones de cerio preferidas se encuentren dentro de 5-95% del máximo de solubilidad de iones de cerio en el electrolito a un pH>7 y 20ºC.
Se contempla también que los iones de cerio puedan introducirse en el electrolito en varias formas químicas. Sin embargo se prefiere que los iones de cerio se adicionen a la solución de electrolito en forma de una sal, de preferencia carbonato de cerio. Sin embargo se contemplan también numerosas formas químicas alternativas, incluyendo hidrato de cerio, acetato de cerio o sulfato de cerio.
Con respecto al segundo elemento se prefiere generalmente que el zinc sea el asociado redox para cerio (u otro primer elemento). Sin embargo, debe apreciarse que numerosos elementos alternativos son también apropiados para uso en conexión con las ilustraciones aquí expuestas, y elementos alternativos particularmente preferidos incluyen titanio y cromo. Otros elementos apropiados incluyen plomo, mercurio, cadmio, y/o estaño. De modo análogo la concentración de iones de zinc en el electrolito es por lo menos 0,05 M, de preferencia por lo menos 0,1 M, mas preferentemente por lo menos 0,3 M, aún mas preferentemente por lo menos 0,5 M, y mas preferentemente por lo menos 1,2 M. Con respecto a la forma particular de adición de zinc al electrolito son aplicables las mismas consideraciones que se han descrito antes. Así pues, formas de zinc contempladas incluyen ZnCO_{3}, ZnAcetato, Zn(NO_{3})_{2}, etc.
En todavía otro aspecto del objeto del invento, se contempla que el electrolito no precisa limitarse a una composición particular. Sin embargo se prefiere, generalmente, que electrolitos apropiados sean electrolitos ácidos (o sea, con un pH inferior a 7,0), y se contempla que pueden utilizarse numerosos ácidos orgánicos e inorgánicos.
Debe reconocerse particularmente que ácidos apropiados en el electrolito ácido pueden variar de modo considerable. Sin embargo, se prefiere en general que los ácidos contemplados sean aptos para disolverse (o sea que formen enlaces complejos con) por lo menos una especie iónica en el acoplamiento redox. Ácidos especialmente contemplados (a) forman un enlace complejo con el elemento oxidado en el compartimiento de cátodo, y (b) se desprotonen con la formación del enlace complejo con el elemento oxidado. Visto desde otra perspectiva debe apreciarse que los ácidos preferidos intercambian un protón por un enlace complejo con el elemento oxidado en el compartimiento de cátodo. Toda- vía además se prefiere que el anión del ácido no solo forme un enlace complejo con el elemento oxidado en el compartimiento de cátodo, sino que forme también un enlace complejo con el elemento reducido en el compartimiento de cátodo.
De modo análogo se contempla que el mismo tipo de ácido puede también utilizarse en el compartimiento de ánodo, en donde el anión del ácido formará un enlace complejo con por lo menos uno de la forma oxidada y reducida del elemento en el compartimiento de ánodo. Sin embargo debe apreciarse que el elemento en el compartimiento de ánodo puede también reducirse a un elemento electroneutral (por ejemplo, galvanizado como un metal). Además, si bien es generalmente preferido que el compartimiento de ánodo y de cátodo incluyan el mismo tipo de ácido, debe también reconocerse que los ácidos en los compartimientos de ánodo y de cátodo pueden ser químicamente distintos. Así pues, los ácidos apropiados incluyen ácidos orgánicos e inorgánicos, y cualquier combinación razonable de estos.
Por consiguiente debe reconocerse que ácidos apropiados en los electrolitos de ácido contemplados no solo proporcionan un pH particular para un acoplamiento redox particular, sino que exhiben también por lo menos una de dos funciones adicionales. La primera función adicional de los ácidos contemplados es aumentar la solubilidad de por lo menos uno del primer y segundo elementos del acoplamiento redox formando un enlace complejo con por lo menos uno del primer y segundo elementos en el estado oxidado y/o reducido. La segunda función adicional de los ácidos contemplados es proporcionar una fuente de protones que se libera del ácido en respuesta a la oxidación del elemento redox en el compartimiento de cátodo. Así pues, debe reconocerse que los protones de un ácido en el electrolito ácido en el compartimiento de cátodo aumentarán la acidez en el compartimiento de ánodo, y especialmente proximal al separador de modo que se desintegren las dendritas que se forman del ánodo durante la carga.
Un ácido orgánico especialmente preferido que disuelve iones céricos y cereos (así como otros iones redox de alta energía, por ejemplo Ti^{3+}, o Cr^{2+}) a una concentración relativamente alta es ácido metan sulfónico a una concentración relativamente alta (o sea, por lo menos 50 mM, mas preferentemente por lo menos 100 mM, y mas preferentemente por lo menos 1M). Con respecto a la concentración del MSA u otro ácido debe apreciarse que una concentración particular de MSA no limita el objeto del invento. Sin embargo, una concentración particularmente preferida de ácido metan sulfónico está en la gama de entre 1M y 4M, y mas preferentemente entre 2,5 M y 3,5 M. En otros aspectos alternativos del objeto del invento se contempla que el EDTA o agentes quelantes alternativos pueden sustituir por lo menos una porción,, sino todo, del ácido metansulfónico en por lo menos la parte de cátodo de zinc de la célula.
Ácidos orgánicos alternativos incluyen ácido trifluorometan sulfónico (CF_{3}SO_{3}H), que puede volver un anión disolvente mejor que el ácido metansulfónico para iones céricos y formará una batería de excelente alta energía para aplicaciones especiales. Todavía ácidos adicionales contemplados incluyen ácidos inorgánicos tal como ácido perclórico (HCl0_{4}), ácido nítrico, ácido clorhídrico (HCl), o ácido sulfúrico (H_{2}SO_{4}). Sin embargo estos ácidos alternativos pueden imponer aspectos de seguridad o exhibir capacidad menos ventajosa para disolver altas concentraciones de iones céricos.
En todavía otros aspecto alternativos se contempla que el electrolito puede ser también gelificado, y que electrolitos gelificados preferidos incluyen uno o mas aniones de un ácido orgánico o inorgánico. Varios métodos y composiciones apropiados para electrolitos gelificados se describen en la patente PCT titulada "Improved Battery With Gelled Electrolyte" de Lewis Clarke, Brian J. Dougherty, Stephen Harrison, J. Peter Millington y Samaresh Mohanta, que se depositó el, o entorno del, 12 de febrero de 2002, que se incorpora aquí como referencia.
Si bien en algunas configuraciones de batería una membrana NAFION^{TM} (copolímero de ácido perfluorosulfónico y politetrafluoroetileno) puede operar de forma mas satisfactoria que otras membranas, se contempla generalmente que la naturaleza física y/o química exacta de las membranas no limita al objeto del invento mientras que dichas membranas permitan intercambio de H^{+} entre un compartimiento de ánodo y cátodo en electrolitos acídicos contemplados. Por consiguiente debe apreciarse que numerosas otras membranas alternativas aparte de NAFION^{TM} son también apropiadas, y membranas de ejemplo incluyen todas las membranas de electrolito de polímero sólido, o materiales similares.
Además debe reconocerse especialmente que en baterías contempladas membranas son apropiadas para uso aún si estas membranas exhiben cierta fuga o permeabilidad para el catolito y/o anolito en el compartimiento opuesto, ya que las baterías contempladas son operables aún bajo condiciones en donde los electrolitos son mixtos (supra). Varios aspectos de electrolitos mixtos en baterías contempladas se describen en la patente PCT titulada "Mixed Electrolyte Battery" de Lewis Clarke, Brian J. Dougherty, Stephen Harrison, J. Peter Millington y Samaresh Mohanta, que se depositó el, o entorno del, 12 de febrero de 2002, que se incorpora aquí como referencia.
Con respecto a la célula se contempla que las formas y material particulares se determine por lo menos parcialmente por la función particular de la batería. Sin embargo se contempla en general que la célula se fabrique a partir de un material con suficiente estabilidad química para resistir los procesos electroquímicos y acidez de las baterías contempladas sin daño estructural que resultara en pérdida significante de la función de la batería (por ejemplo pérdida de electrolito, fuga de componentes de material en el electrolito y subsiguiente deposición o precipitación de estos materiales, etc.). Así pues, materiales particularmente preferidos incluyen polímeros de alta densidad resistentes al ácido, que pueden estar o no revestidos.
En todavía otros aspectos alternativos del objeto del invento, se contempla que las baterías apropiadas pueden configurarse en una pila de batería en donde una serie de células de batería se acoplan eléctricamente entre sí vía un electrodo bipolar. La naturaleza particular del electrodo bipolar no es limitativa del objeto del invento, y se contempla en general que cualquier material que permita oxidación de iones céreos a iones céricos durante la carga (y la reacción inversa durante la descarga) y cincado/de-cincado electrolítico es apropiado para uso aquí. Sin embargo un material particularmente preferido para un electrodo bipolar es carbón vítreo (carbón que exhibe no tiene ningún orden de larga longitud en tres dimensiones). Los inventores descubrieron sorprendentemente que el carbón vítreo proporciona, a pesar de operar en un electrolito altamente acídico, un sustrato excelente para electrodeposición de zinc durante la carga. Además el carbón vítreo es un material relativamente económico y comparativamente de peso ligero, con lo que mejora adicionalmente la relación costo/peso frente a capacidad. Diversos aspectos contemplados de electrodos bipolares se describen en la solicitud de patente provisional estadounidense con el título "Electric Devices With Improved Bipolar Electrode" de Lewis Clarke, Brian J. Dougherty, Stephen Harrison, J. Peter Millington and Samaresh Mohanta, que se depositó en, o entorno del, 12 de febrero de 2002, la cual se incorpora aquí como referencia.
Aplicaciones particularmente útiles del objeto del invento aquí presentado incluyen el uso de electrolitos y electrodos contemplados en varios tipos de batería. Por ejemplo, cuando la capacidad de las baterías contempladas es relativamente alta, se contempla que estos electrolitos y electrodos puedan utilizarse en varias configuraciones de baterías de nivelación de carga y stand-by. Por otra parte los electrolitos y electrodos contemplados pueden utilizarse también en tipos de batería primaria y secundaria que son útiles para uso doméstico, automóvil y otros empleos en donde se requiere una capacidad de batería relativamente pequeña. Varios aspectos de configuraciones y empleo de baterías contempladas con capacidad especialmente alta se describe en la patente PCT pendiente con el título "Improved load leveling battery and methods therefor", número PCT/US01/41678, que se incorpora aquí como referencia.
Experimentos
Para validar el concepto de una batería secundaria con dendritas autolíticas, se construyó una célula utilizando cuatro bloques de Polietileno de ultra alto peso molecular plástico (UHMWP), con juntas entre cada cara, dos electrodos, y una membrana de Nafion®. Se realizaron entradas y salidas de electrolito en las secciones centrales y se alimentó electrolito desde dos pequeños tanques vía una bomba peristáltica a los compartimientos respectivos.
La solución de cerio contuvo 106 gramos de Ce_{2}(CO_{3})_{3} *5H_{2}O en 480 ml de ácido metansulfónico y 320 ml de agua. La solución de zinc contuvo 65 gramos de carbonato de zinc en 240 ml de ácido metansulfónico y 160 ml de agua. Se alimentó la solución cérica al cátodo obtenido de malla de titanio revestido (TiO_{2}), y se alimentó la solución de zinc al ánodo. La separación de células fue de 2,54 cm, caudal de flujo alrededor de 2 litros por minuto.
La célula se cargó a 0,5A (la densidad de corriente es de 50 mA/cm^{2}) durante cinco horas. El metansulfonato céreo incoloro se volvió amarillo y el voltaje de célula de circuito abierto fue de 3,33 voltios. Solo 3 gramos de zinc se habrían depositado en este tiempo si las células funcionaran a eficacia de corriente del 100%. La célula funcionó durante la noche adicionalmente a corriente de 0,2A y 5 horas mas a 0,5 A. El voltaje de circuito abierto máximo fue de 2,46 V y el voltaje a través de la célula durante la carga a 0,5 A fue de 2,7 V. Para investigar la eficiencia de corriente se vació la célula y se inspeccionó el lateral de ánodo. El lateral de ánodo contuvo aproximadamente 9 gramos de zinc, lo que está muy próximo al valor teórico esperado para la carga pasada. El zinc se dispuso en el electrolito y el ratio de disolución espontánea del zinc fue relativamente lento. Alrededor del 50% del zinc se observó todavía después de dos horas y al cabo de 72 horas quedó algo de zinc residual.
Después de numerosos ciclos de carga/descarga se observó crecimiento de dendritas de zinc mientras se cargaba la batería. Sin embargo, sorprendentemente sustancialmente todo de las dendritas se desintegró antes de contacto con el separador. Si bien no se desea vincularse a ninguna teoría de hipótesis particular, el invento contempla que las dendritas se desintegran bajo la influencia de concentración de H^{+} relativamente alta proximal al separador. Por consiguiente debe apreciarse que las dendritas de zinc en baterías secundarias contempladas se desintegran a un ratio en aumento cuando aumenta la carga de la batería.
Todavía además se observó muy poco gaseo en el ánodo o cátodo durante el proceso de carga. La mayor parte del zinc formó nódulos granulares sobre el ánodo de titanio y eventualmente se electrodepositó sobre la cara de la membrana, mientras que el cátodo cérico resultó sustancialmente libre de depósitos.

Claims (14)

1. Una batería que comprende:
una célula con un electrolito ácido, en donde la célula está dividida por lo menos parcialmente por un separador permeable de H^{+} en un compartimiento de ánodo y un compartimiento de cátodo;
en donde el electrolito ácido en el compartimiento de ánodo comprende zinc y en donde el electrolito ácido en el compartimiento de cátodo comprende un elemento que se oxida durante la carga de la batería, y en donde la oxidación del zinc y reducción del elemento oxidado produce corriente proporcionada por la batería;
en donde el elemento oxidado forma una sal con un ácido, con lo que aumenta una concentración de H^{+} en el compartimiento de cátodo suficiente para promover un flujo de H^{+} en el compartimiento de ánodo a través del separador; y
en donde el flujo de H^{+} a través del separador es suficiente para desintegrar una dendrita de zinc proximal al separador.
2. La batería de la reivindicación 1, en donde el electrolito ácido comprende un ácido orgánico.
3. La batería de la reivindicación 1, en donde el electrolito ácido comprende un ácido elegido del grupo constituido por ácido metan sulfónico, ácido trifluorometan sulfónico, ácido perclórico, ácido nítrico, ácido clorhídrico, y ácido sulfúrico.
4. La batería de la reivindicación 1, en donde el separador permeable H^{+} comprende un polímero perfluorado que incluye grupos sulfónicos o carboxílicos.
5. La batería de la reivindicación 1, en donde el elemento en el compartimiento de cátodo es una lantánida.
6. La batería de la reivindicación 5, en donde la lantánida se elige del grupo constituido por cério, prasodimio, neodimio, terbio, y disprosio.
7. La batería de la reivindicación 2, en donde el ácido orgánico es ácido metansulfónico y el elemento en el compartimiento de cátodo es cerio.
8. La batería de la reivindicación 2, en donde el ácido orgánico está presente en el compartimiento de cátodo a una concentración entre 1M y 4M.
9. La batería de la reivindicación 2, en donde el ácido orgánico está presente en el compartimiento de cátodo a una concentración entre 2,5M y 3,5M.
10. La batería de la reivindicación 2, en donde el ácido orgánico está presente en el compartimiento de ánodo a una concentración de por lo menos 2,5M y forma una sal con zinc oxidado con la descarga de la batería.
11. Una batería que comprende un ánodo, un cátodo, un separador, y un electrolito ácido en donde zinc y un lantánido forman un par redox, en donde la batería se configura de modo que durante la carga de la batería se genera un flujo de H^{+} a través del separador que desintegra una dendrita de zinc proximal al separador, y en donde la oxidación del zinc y reducción de la lantánida produce corriente proporcionada por la batería.
12. La batería de la reivindicación 11 en donde la lantánida se elige del grupo constituido por cerio, praseodimio, neodiminio, terbio y disprosio.
13. La batería de la reivindicación 11 en donde el electrolito comprende ácido metansulfónico, donde la carga de la batería oxida Ce^{3+} a Ce^{4+}, y en donde el ácido metansulfónico acompleja Ce^{4+} liberando así H^{+} que pasa a través del separador.
14. La batería de la reivindicación 11 en donde el electrolito es un electrolito mixto, y en donde el electrolito mixto contacta por lo menos uno del ánodo y cátodo.
ES02719005T 2001-08-10 2002-02-12 Bateria secundaria con dendritas autoliticas. Expired - Lifetime ES2306761T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
WOPCT/US01/41678 2001-08-10
PCT/US2001/041678 WO2003017407A1 (en) 2001-08-10 2001-08-10 Improved load leveling battery and methods therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2306761T3 true ES2306761T3 (es) 2008-11-16

Family

ID=21742951

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES02717450T Expired - Lifetime ES2359456T3 (es) 2001-08-10 2002-02-12 Baterías de cerio.
ES02719005T Expired - Lifetime ES2306761T3 (es) 2001-08-10 2002-02-12 Bateria secundaria con dendritas autoliticas.

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES02717450T Expired - Lifetime ES2359456T3 (es) 2001-08-10 2002-02-12 Baterías de cerio.

Country Status (7)

Country Link
EP (3) EP1415354B1 (es)
AT (2) ATE392722T1 (es)
DE (2) DE60238988D1 (es)
DK (1) DK1415358T3 (es)
ES (2) ES2359456T3 (es)
PT (1) PT1415358E (es)
WO (6) WO2003017407A1 (es)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1536507B8 (en) * 2002-04-23 2012-06-27 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method for designing redox flow battery system
ATE445234T1 (de) 2002-06-25 2009-10-15 Applied Intellectual Capital L Zink-luft-batterie mit säureelektrolyt
CA2526401C (en) * 2003-05-19 2010-03-23 Arkema Inc. Zinc lanthanide sulfonic acid electrolytes
US8587255B2 (en) 2009-05-28 2013-11-19 Deeya Energy, Inc. Control system for a flow cell battery
JP6400577B2 (ja) * 2012-07-27 2018-10-03 ロッキード マーティン エナジー, エルエルシーLockheed Martin Energy, Llc 最適な膜の電気化学的エネルギー貯蔵システム
CN112885988A (zh) * 2021-01-07 2021-06-01 浙江南都电源动力股份有限公司 一种bev汽车用12v低压电气系统agm制造工艺及电池
CN113097578B (zh) * 2021-04-07 2022-09-09 中南大学 一种复合凝胶电解质膜及其制备方法和应用
CN113161631B (zh) * 2021-06-16 2023-04-11 中南大学 含有添加剂的水系锌离子电池电解液及其制备方法和电池

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3360401A (en) * 1965-09-29 1967-12-26 Standard Oil Co Process for converting chemical energy into electrical energy
US3708220A (en) * 1970-05-25 1973-01-02 American Cyanamid Co High conductivity electrolyte gel materials
US3811946A (en) * 1971-11-18 1974-05-21 Occidental Energy Dev Co Battery electrolyte composition containing the reaction product of an amine and an aldehyde
US4006966A (en) * 1973-08-27 1977-02-08 American Cyanamid Company Process for preparation of an electrode structure containing WO3 use of the structure in an electrochromic cell
US4180623A (en) * 1977-12-19 1979-12-25 Lockheed Missiles & Space Company, Inc. Electrically rechargeable battery
US4279978A (en) * 1980-05-23 1981-07-21 Energy Research Corporation Battery separator employing zinc selective additive materials
US4382116A (en) * 1981-05-22 1983-05-03 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Zirconium carbide as an electrocatalyst for the chromous/chromic REDOX couple
US4397730A (en) * 1982-06-30 1983-08-09 International Business Machines Corporation Electrolytic cells with alkaline electrolytes containing trifluoromethylane sulfonic acid
US5246559A (en) * 1991-11-29 1993-09-21 Eltech Systems Corporation Electrolytic cell apparatus
US5679235A (en) * 1992-03-05 1997-10-21 Hydro-Quebec Titanium and cerium containing acidic electrolyte
MY113980A (en) * 1993-11-17 2002-07-31 Jd Holding Inc Stabilised electrolyte solutions, methods of preparation thereof and redox cells and batteries containing stabilised electrolyte solutions.
DE4340896A1 (de) * 1993-12-01 1995-06-08 Hoechst Ag Verfahren zur Herstellung von 3-Alkyl-2,6-dichloracylaniliden durch elektrolytische Debromierung von 3-Alkyl-4-brom-2,6-dichloracylaniliden
DE69505784T2 (de) * 1995-02-09 1999-05-06 Tokyo Yogyo Kk Fester Elektrolyt für eine Brennstoffzelle und sein Herstellungsverfahren
US5520793A (en) * 1995-04-03 1996-05-28 Benham Electrosynthesis Company, Inc. Methods of producing hydrogen iodide electrochemically
EP0829104B1 (en) * 1995-05-03 2003-10-08 Pinnacle VRB Limited Method of preparing a high energy density vanadium electrolyte solution for all-vanadium redox cells and batteries
US5650239A (en) * 1995-06-07 1997-07-22 Zbb Technologies, Inc. Method of electrode reconditioning
JPH1092444A (ja) * 1996-09-13 1998-04-10 Japan Gore Tex Inc 電気化学反応装置用固体高分子電解質複合体及びそれを用いた電気化学反応装置
JP4165995B2 (ja) * 1998-06-09 2008-10-15 ファーナウ テクノロジーズ プロプリエタリー リミテッド エネルギー蓄積システム
AUPP938799A0 (en) * 1999-03-23 1999-04-15 Unisearch Limited Electrodes
US6242118B1 (en) * 1999-10-14 2001-06-05 International Fuel Cells Llc Method and apparatus for removing contaminants from the coolant supply of a fuel cell power plant

Also Published As

Publication number Publication date
EP1415354A4 (en) 2006-08-02
WO2003028127A1 (en) 2003-04-03
ATE496400T1 (de) 2011-02-15
EP1415354A1 (en) 2004-05-06
DE60226147D1 (de) 2008-05-29
WO2003017408A1 (en) 2003-02-27
WO2003017407A1 (en) 2003-02-27
WO2003017397A1 (en) 2003-02-27
EP1415358A4 (en) 2006-08-09
WO2003028127A8 (en) 2003-09-04
ATE392722T1 (de) 2008-05-15
DE60238988D1 (de) 2011-03-03
ES2359456T3 (es) 2011-05-23
WO2003017395A1 (en) 2003-02-27
DK1415358T3 (da) 2008-05-19
WO2003017394A1 (en) 2003-02-27
EP1415357A4 (en) 2007-05-02
DE60226147T2 (de) 2009-07-02
EP1415358A2 (en) 2004-05-06
EP1415357A1 (en) 2004-05-06
EP1415358B1 (en) 2008-04-16
PT1415358E (pt) 2008-05-28
EP1415354B1 (en) 2011-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7214443B2 (en) Secondary battery with autolytic dendrites
JP5109046B2 (ja) 2機能の電解質を有する電池
US7320844B2 (en) Vanadium/polyhalide redox flow battery
US6986966B2 (en) Battery with bifunctional electrolyte
US7625663B2 (en) Cerium batteries
US7252905B2 (en) Lanthanide batteries
ES2666853T3 (es) Celda de metal-aire con un material de intercambio iónico
US11581563B2 (en) Zinc-iron flow battery
JP7201552B2 (ja) レドックスフロー電池、およびレドックスフロー電池のための方法
ES2306761T3 (es) Bateria secundaria con dendritas autoliticas.
ES2331234T3 (es) Bateria zinc-aire con electrolito acido.
US20040202939A1 (en) Improved battery with gelled electrolyte
ES2937060T3 (es) Generadores electroquímicos secundarios alcalinos con ánodo de zinc
US7560189B2 (en) Mixed electrolyte battery
EP3565048A1 (en) Redox flow battery
JP2017147217A (ja) レドックスフロー電池用電解液およびそれを用いたレドックスフロー電池
WO2019124300A1 (ja) 電解液およびレドックスフロー電池
WO2021108244A1 (en) Flow battery systems and methods of using the same