ES2319121T3 - Metodo y dispositivo relacionado para mejorar la eficacia y evitar la degradacion de dicho dispositivo de almacenamiento de energia. - Google Patents
Metodo y dispositivo relacionado para mejorar la eficacia y evitar la degradacion de dicho dispositivo de almacenamiento de energia. Download PDFInfo
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Abstract
Método para mejorar el rendimiento energético y evitar sustancialmente la degradación de un proceso de conversión de energía química en eléctrica de un dispositivo (10) de almacenamiento de energía, que comprende las etapas de: excitar mecánicamente un dispositivo (10) de almacenamiento de energía a frecuencias próximas a frecuencias resonantes a las cuales enlaces covalentes químicos entre productos de reacción química y una matriz (51), es decir, material de electrodo del dispositivo (10) de almacenamiento de energía formarían ausencia de excitación; e introducir las excitaciones mecánicas en el dispositivo (10) de almacenamiento de energía a través de un material (31) activo mecánicamente sensible a señales electromagnéticas, en respuesta a una señal electromagnética.
Description
Método y dispositivo relacionado para mejorar la
eficacia y evitar la degradación de dicho dispositivo de
almacenamiento de energía.
Esta invención se refiere en general a mejorar
el rendimiento eléctrico de dispositivos de almacenamiento de
energía, y en particular a mejorar la eficacia y evitar la
degradación de electrodos de un dispositivo de almacenamiento de
energía.
El material de plomo (Pb) y dióxido de plomo
(PbO_{2}) usado para electrodos de batería de plomo-ácido (en lo
sucesivo en el presente documento la "matriz") son materiales
muy porosos. Esta porosidad permite que el electrólito penetre
completamente en la matriz y reaccione químicamente dentro de ella.
Esto a su vez aumenta la capacidad portadora de corriente de la
batería. Sin estos poros la capacidad portadora de carga de la
batería se resentiría en gran medida. Desafortunadamente, no se
gana nada sin conceder algo. La figura 1 ilustra un "electrodo
poroso como nuevo" que no ha estado en contacto con un
electrólito. La figura 2 ilustra un electrodo similar después de
seis meses de uso. Mientras que las baterías de plomo-ácido se
usarán aquí con fines ilustrativos, en general se aplican
consideraciones análogas a otros dispositivos de almacenamiento de
energía química a eléctrica que emplean materiales de electrodo y
electrolíticos alternativos.
Cuando una batería de plomo-ácido se descarga,
se forma PbSO_{4} dentro de los poros y sobre la superficie de la
matriz. La formación de PbSO_{4} sobre la superficie de la matriz
no supone un problema real; estos sulfatos (SO_{4}) se disuelven
fácilmente durante el ciclo de carga. Es la formación de PbSO_{4}
dentro de la matriz lo que deteriora la capacidad de la batería con
el tiempo. Después de varios ciclos de carga y descarga estos
PbSO_{4} se acumulan dentro de los poros. La fuerza de los enlaces
creados entre Pb y SO_{4} tiene varios niveles diferentes. Cuanto
más tiempo permanezcan estas dos moléculas en contacto más fuertes
se harán los enlaces. Si cada SO_{4} no se lleva de nuevo a
disolución durante el proceso de carga, los enlaces de PbSO_{4}
restantes se hacen cada vez más fuertes, cayendo a niveles de
energía covalentes cada vez más bajos. En este punto la cantidad de
tiempo y corriente requeridos para romper estos enlaces tendrá que
aumentarse, y el daño colateral a la batería como resultado de tal
eliminación aumenta significativamente.
Finalmente estas formaciones de PbSO_{4}
resistentes cristalizarán (sulfatación) y bloquearán el paso del
electrólito a través de la matriz. La sulfatación reduce la
capacidad portadora de corriente y con el tiempo limita la
capacidad de almacenamiento de energía de la batería. También
disminuye la vida de la batería y puede provocar daño estructural.
Es esta limitación la que requiere que los usuarios apliquen
tensiones muy superiores a las de la propia batería para
recargarla, y que da como resultado que las baterías se hagan más
grandes de lo que sería necesario de otro modo para almacenar y
entregar una cantidad de energía dada.
El ión sulfato tiene varios estados de enlace de
energía o niveles de energía diferentes. Con el tiempo, hay una
transición, una caída en el nivel de energía, desde un enlace iónico
menos estable a un enlace covalente muy estable. Estas moléculas se
apilan a modo de capas para cubrir la superficie de y las regiones
porosas por toda la matriz. El efecto es como pintar la placa de
batería con un recubrimiento resistivo. La vida útil de una batería
de plomo-ácido está dictada por la capacidad para romper estos
depósitos.
Los primeros intentos para eliminar la
sulfatación plomo-ácido comenzaron con ecualización o
"sobrecarga." Este proceso tuvo éxito para eliminar la mayoría
de los depósitos, pero a un precio muy alto para la duración de la
batería, debido a la erosión de la estructura de rejilla de la placa
positiva. El proceso, que es muy exotérmico, da como resultado
generación de calor, deformación de la placa y esfuerzo mecánico
sobre los componentes de la célula. Hay numerosos ejemplos de
células de batería que explotan como resultado de la ecualización.
Posteriormente se desarrolló un proceso de carga electrónico más
seguro. Esta técnica mejorada aún es incapaz de eliminar los
depósitos de sulfato más antiguos y más estables de las placas. Este
proceso aún depende de grandes tensiones, y por tanto corrientes,
cuando se aplica la carga. Así, este proceso también da como
resultado los factores adversos mencionados anteriormente, y
desperdicia energía. Además, este proceso de carga lleva mucho
tiempo.
Algunos esfuerzos para tratar la sulfatación se
centran en constituyentes químicos mejorados, por ejemplo, las
patentes estadounidenses 5.945.236 para un aditivo de electrólito y
6.458.489 que altera la concentración de H2SO_{4} en una batería
de plomo ácido.
Se han hecho muchos intentos para usar grandes
corrientes pulsantes para reducir la sulfatación y depósitos
similares. Por ejemplo:
La patente estadounidense 5.491.399 da a conocer
"un pulso de corriente de rápido tiempo de subida para la
aplicación a una batería" (resumen), que, basándose en las
figuras 2 y 3, parece ser del orden de unos pocos \mus, lo que se
traduce en una frecuencia de 500 KHz. Esto, como prácticamente toda
la técnica anterior, se usa para "eliminar los depósitos de
sulfato de plomo de las placas de la batería" (columna 1, líneas
37-38).
La patente estadounidense 5.525.892 da a conocer
el uso de "un tren de pulsos de tensión positiva (caracterizado
por un pico de rápido tiempo de subida seguido de un desvanecimiento
gradual con forma de joroba no uniforme) que se combina con una
salida de corriente de carga de CC por el cargador" (resumen).
"La forma del desvanecimiento gradual de cada pulso no es
uniforme de un pulso a otro en el tren de pulsos. Esta fluctuación
en las características de forma de los pulsos dentro del tren de
pulsos se cree que da como resultado una eliminación de depósitos
de sulfatos mejorada" (columna 1, líneas 47-48).
"El tiempo 208 de subida para las partes de pico 204 de los
pulsos 202 generadas por el rejuvenecedor 10 de batería por pulsos
es aproximadamente de cuatro a ocho microsegundos por pulso"
(columna 3, líneas 55-58), traduciéndose en una
frecuencia de aproximadamente 125 a 250 KHz.
La patente estadounidense 5.677.612 da a conocer
que un "desulfatador de batería funciona tomando una pequeña
cantidad de energía de la batería 124, que pasa a través del
oscilador o multivibrador 125, que a su vez transforma la tensión
de CC de batería en pulsos de alta frecuencia que se realimentan a
la batería 124" (columna 2, líneas 17-21).
Mientras que no se dan a conocer específicamente frecuencias, se
observa que el "proceso continúa a una tasa de varios miles de
veces por segundo" (columna 3, líneas 25-26).
La patente estadounidense 5.808.447 da a conocer
"carga mediante pulsos [que] carga una batería recargable
alternando repetidamente periodos de carga y suspensión de carga"
(columna 2, líneas 30-32). El intervalo de "400
ms" mencionado en la columna 6, línea 6 y en cualquier parte
sugiere una frecuencia aproximada de 2,5 KHz. La patente
estadounidense 6.130.522 da a conocer "conectar un dispositivo de
fuente de intensidad entre los terminales positivo y negativo de la
batería y aplicar un pulso periódico al dispositivo para aplicar
una corriente de pulsos entre los terminales de batería sin aplicar
un pulso de tensión" (resumen). "La frecuencia de pulsos puede
seleccionarse entre un amplio intervalo pero preferiblemente es
superior a la frecuencia de la corriente de cargador base de modo
que preferiblemente varía desde 60 Hz hasta 100.000 Hz" (columna
4, líneas 55-58).
La patente estadounidense 5.891.590 da a conocer
"[un] dispositivo y método para reducir formaciones de cristales,
que tiene un intervalo de frecuencias resonantes, sobre placas de
electrodo de una batería eléctrica... [usando] un tren de pulsos de
corriente directa a una frecuencia dentro del intervalo de
frecuencias resonantes..." (resumen). Parece que las
"frecuencias resonantes" se referían a algo diferente de
resonancias de enlace químico, puesto que "la frecuencia se
selecciona para estar dentro de un intervalo de frecuencias que se
cree que corresponde con el intervalo de frecuencias resonantes de
los cristales de sulfato de plomo. Preferiblemente, el intervalo es
del orden de aproximadamente 10 KHz a 32 KHz y más preferiblemente
en un intervalo de aproximadamente 20 KHz a 32 KHz" (columna 4,
líneas 5-9). La frecuencia resonante de los enlaces
químicos que conectan el Pb con el SO_{4} en PbSO_{4} es de
hecho del orden de 3,26 MHz a la energía de enlace covalente más
baja - más de 100 veces más alta que las frecuencias comentadas
aquí - por lo que está claro que estos enlaces químicos no se
consideran en absoluto en la patente estadounidense 5.891.590.
Entre muchos otros problemas, todas las patentes
estadounidenses 5.491.399; 5.525.892; 5.677.612; 5.808.447;
6.130.522; y 5.891.590 emplean frecuencias en el intervalo por
debajo de los 500 KHz, y tales bajas frecuencias son insuficientes
para llegar a la raíz de la sulfatación de batería de plomo-ácido,
concretamente, los enlaces químicos covalentes que forma el Pb con
el SO_{4} en el PbSO_{4}, o para tratar fenómenos de deposición
similares en otros tipos de baterías.
La patente estadounidense 5.276.393 da a conocer
"[un] circuito de regeneración y carga alimentado por batería
solar... que tiene una sección de alta frecuencia... y salida
acoplada mediante un transformador de RF acoplado directamente a la
sección de salida conectada de la batería. El transformador tiene un
bobinado secundario que produce una salida de onda completa de
corriente-tensión claramente definida a través de un
circuito rectificador de dos diodos a una salida de pulso
multi-frecuencia de 10 KHz a 100 KHz. Las salidas de
pulso agudo con contenido RF en el intervalo de frecuencia de
2-10 megahercios tienen frecuencias específicas
iguales a frecuencias resonantes naturales de los electrólitos
específicos usados en baterías respectivas. Estas señales de salida
de RF de alta frecuencia resultantes en cada estructura de
envolvente de pulsos pueden regenerarse, mantener y cargar baterías
que presentan un electrólito líquido o electrólito de gel y son
beneficiosos para secar baterías de célula así como para prolongar
la vida de la batería" (resumen, véase también la columna 1,
líneas 48-68). Esta patente por tanto se concentra
en las frecuencias resonantes de los "electrólitos específicos"
en consideración.
La patente estadounidense 6.184.650 hace notar
que es posible invertir (es decir, eliminar, no evitar) la
acumulación de cristales de azufre sobre los colectores (placas) de
una batería de almacenamiento tipo plomo-ácido. "Golpeando"
estas placas con pulsos eléctricos que producen energía a 3,26 MHz.,
que es la frecuencia resonante de un cristal de azufre, el enlace
se rompe, permitiendo que las moléculas se disuelvan de nuevo en la
disolución electrolítica de la que procedían en primer lugar''
(columna 1, líneas 8-15). Se plantea además que
``esta invención puede invertir la acumulación de azufre
cristalizado sobre las "placas" de una batería de
almacenamiento de plomo-ácido, mejorando así las características de
carga/descarga de una batería en la que se han producido tales
formaciones. Logra este proceso activando y desactivando rápidamente
el cargador (tiempo de subida=200-500 ns) y durante
el ciclo de carga "flotante" generando pulsos (amplitud de 1
A)'' (columna 1, líneas 25-32).
Estas dos patentes estadounidense, la 5.276.393
y la 6.184.650, proporcionan un intervalo de frecuencia más
satisfactorio para tratar la sulfatación. Sin embargo, aún dependen
de estimulación eléctrica de pulsos de la batería, que en sí
desperdicia energía y daña la batería. Este proceso de enviar
periódicamente picos de tensión grandes a la batería puede tener
efectos deseables a corto plazo, pero los efectos a largo plazo son
perjudiciales para el rendimiento de la batería y deben evitarse. Un
pulso eléctrico agudo a tal alta frecuencia para eliminar los
depósitos de sulfato que ya se han formado es similar a atacar la
matriz con un martillo neumático: los depósitos pueden eliminarse,
pero la propia matriz también se daña en el proceso.
Aunque un pulso eléctrico puede contener
componentes de frecuencia que se requieren para hacer resonar la
estructura del cristal, estos pulsos también contienen otros
componentes de frecuencia que no sirven para nada en la
minimización de la sulfatación y por tanto un rendimiento de la
batería mejorado. Estos componentes de frecuencia adicionales
contienen energía y esta energía está desperdiciándose
innecesariamente. El proceso de inyectar energía eléctrica de
pulsos en un enlace covalente para crear una respuesta mecánica es
muy ineficaz. Este proceso de conversión electromagnético en
mecánico es similar al de un horno microondas. La radiación en un
horno microondas se usa para excitar mecánicamente los enlaces de la
molécula de agua presentes en el material. Es bien sabido que la
energía necesaria para calentar un vaso de agua desde la temperatura
ambiente al punto de ebullición es muy superior a la energía que
recibe realmente el vaso de agua. Este exceso de energía se
desperdicia y si hubiera una forma más eficaz de inyectar la energía
en los enlaces de tipo mecánico del agua el microondas sería un
dispositivo mucho más eficaz.
Estas patentes que dependen de la estimulación
eléctrica no están interesadas en esta energía desperdiciada.
Además, las grandes tensiones contenidas dentro del pulso se aplican
a lo largo de las moléculas de aguas y a través de electrólisis, de
modo que es probable más formación de gases. Esto es también una
forma de energía desperdiciada. Aunque cierta formación de gases es
esencial para el rendimiento de la batería, demasiada formación de
gases es perjudicial para la vida de la batería. Por tanto, para
conseguir su objetivo, todas estas patentes que emplean
estimulación eléctrica para eliminar sulfatos una vez se han formado
no sólo desperdician energía valiosa sino que también degradan la
vida del dispositivo de almacenamiento. Si pudiera encontrarse un
método que eliminara la necesidad de estas altas tensiones y
corrientes, podrían eliminarse la energía desperdiciada y la
degradación de un dispositivo de almacenamiento. En otras palabras,
pueden mejorarse las características de rendimiento de un
dispositivo de almacenamiento de energía. Puesto que estas patentes
no están interesadas en la cantidad de energía usada para conseguir
su objetivo, desvían su atención del almacenamiento de energía a la
minimización de sulfato y han vencido efectivamente la base
subyacente de una batería: almacenamiento de energía eficaz.
La patente estadounidense 5.872.443 da a conocer
"un método electrónico... por el que la fuerza electromotriz
aplicada optimiza el comportamiento electrocinético de partículas
cargadas para corresponderse de cerca con la respuesta eléctrica
natural y estructura física del sistema. El método forma la amplitud
y frecuencia de la fuerza electromotriz para normalizar las
interacciones relativas entre las partículas cargadas y la
estructura física". Aunque interesante como antecedentes
generales. la aplicación de una fuerza electromotriz en esta
patente plantea todavía los mismos problemas que en las patentes
anteriormente mencionadas.
Un número considerable de otras patentes toman
un enfoque mecánico, en vez de eléctrico. Por ejemplo:
las patentes estadounidenses 6.299.998 y
6.458.480 dan a conocer baterías con ánodos móviles, y la patente
estadounidense 4.587.183 da a conocer el uso de una "carga
compresiva sobre el ánodo que inhibe la formación de un depósito
poroso de granos de litio exteriores, orientados de forma irregular,
amalgamados sobre el ánodo" (resumen).
La patente estadounidense 3.923.550 da a conocer
que "evitar formación de dendritas cuando se carga una célula de
baterías acumuladoras alcalinas que tiene un ánodo de zinc... o bien
el separador o bien el ánodo está sujeto a un movimiento vibratorio
durante el proceso de carga" (resumen). "El movimiento
vibratorio se lleva a cabo de forma adecuada con una frecuencia de
0,01-1000 Hz, preferiblemente 1-500
Hz" (columna 2, líneas 19-20).
La patente estadounidense 5.352.544 da a conocer
"un método para aumentar la conductividad iónica de electrólitos
de polímero sólido que comprende excitar mecánicamente las unidades
que comprenden los electrólitos de polímero [y] una ... batería de
estado sólido que tiene un electrólito de polímero sólido y medios
para excitar mecánicamente el electrólito de polímero" (columna
2, líneas 14-22). En particular, esta patente emplea
"excitación mecánica a lo largo de un intervalo de frecuencia de
40-400 KHz" (columna 3, líneas
27-28 y en otras partes).
La patente estadounidense 5.932.991 da a conocer
"mejorar la carga de una batería exponiendo la batería a
excitación acústica mientras la batería está cargándose"
(resumen) y específicamente el uso de una frecuencia de 20 KHz.
(columna 3, línea 52, y otros lugares varios).
La patente estadounidense 6.060.198 emplea un
transductor. "La frecuencia ultrasónica que va a seleccionarse y
su intensidad son funciones de las características estructurales de
toda la batería. Normalmente el intervalo de frecuencia estará
entre aproximadamente 20 KHz y aproximadamente 120 KHz. El vataje
requerido será sorprendentemente bajo. Normalmente una salida de
energía de vibración entre aproximadamente 10 y aproximadamente 20
vatios será suficiente." (columna 5, líneas
31-36). Este es un buen ejemplo de enfoques basados
en mecánica en los que la frecuencia y/o tiempo de subida de pulso
se determina por referencia a los elementos estructurales, físicos
de la batería.
La patente estadounidense 5.963.008, de manera
similar, da a conocer que "la sonicación de batería
electroacústica rehabilita una batería disminuyendo el
cortocircuito metálico a lo largo de elementos de batería a través
de sonicación. La sonicación puede producirse aplicando una señal
eléctrica (dañando la batería según se expuso antes) de frecuencia
seleccionada a los terminales de una batería, estableciendo de este
modo una condición resonante dentro de la batería.
Alternativamente. la sonicación puede suministrarse mediante
transductores colocados dentro de una batería y que reciben una
señal de accionamiento de frecuencia seleccionada para establecer
una condición resonante dentro de la batería" (resumen). Más
específicamente, se da a conocer que "una frecuencia resonante
apropiada para sonicación en una batería de plomo ácido puede
aproximarse con estos cálculos y, en general, una frecuencia de
200-300 kilohercios es productiva. Una frecuencia
inferior puede funcionar hasta cierto punto, pero será de menor
efecto. Frecuencias superiores, sin embargo, producen vibración de
partes más pequeñas de un cuerpo dado. La naturaleza y forma de los
elementos de batería que van a hacerse vibrar accionan la selección
de frecuencia al intervalo sugerido en el presente documento. Una
rejilla de batería de plomo ácido típica consiste en cuadrados, o
una forma similar, de aproximadamente 0,01 m. Esta característica
de baterías de plomo ácido típicas proporcionaba una base para
seleccionar una longitud de onda de 0,01 m en los cálculos
anteriores. Otras configuraciones de batería presentarían
probablemente características resonantes diferentes y requerirían
posiblemente frecuencias de señal de sonicación diferentes"
(columna 4, líneas 37-51).
Los "cálculos anteriores" para seleccionar
la frecuencia de "sonicación" se exponen en las fórmulas en la
columna 4, líneas 25-34. Las frecuencias se
seleccionan basándose en la velocidad del sonido en la rejilla del
electrodo y el tamaño de los elementos rejilla típicos, es decir,
cuadrados, según FRECUENCIA = VELOCIDAD DE SONIDO EN LA
REJILLA/TAMAÑO DE ELEMENTO DE REJILLA. Según este enfoque, usando el
cálculo del plomo no limitado, no se emplearía una frecuencia tan
alta como 1 MHz a menos que y hasta que el tamaño del elemento de
rejilla alcanzase aproximadamente 2,5 mm, lo que es muy pequeño.
La patente estadounidense 5.614.332 es muy
similar a la patente estadounidense 5.963.008 (y la patente
estadounidense 6.060.198) en su teoría subyacente de cómo
seleccionar una frecuencia apropiada para la estimulación mecánica.
También da a conocer una batería en la que "se conectan electrodos
a un circuito de carga o descarga y al menos un electrodo se
manipula mecánicamente durante la carga o descarga" (resumen).
"La frecuencia preferida es del orden de 50 KHz para un electrodo
de batería de longitud característica 10 cm... La frecuencia es
inversamente proporcional al tamaño del electrodo de batería. Así,
un electrodo de batería de 100 cm de longitud requeriría una
frecuencia mínima de 5 KHz" (columna 6, líneas
9-12). Aunque "la figura 13 muestra un transductor
132 ultrasónico... que puede funcionar a frecuencias tan altas como
2 MHz,"lo que es aún sustancialmente menor que, por ejemplo, la
frecuencia de 3,26 MHz del PbSO_{4}, está claro que una frecuencia
tan alta (basándose en la descripción de proporción inversa de
frecuencia de esta patente a la que posteriormente se da una
definición más precisa en la patente estadounidense 5.963.008) se
emplearía para un electrodo de batería de (50 KHz/2000 KHz) x 10 cm
= 2,5 mm de longitud, es decir, para una célula de
micro-batería.
Éste es el mismo tipo de resultado alcanzado en
la patente estadounidense 5.963.008, concretamente, que altas
frecuencias en el intervalo de MHz. se emplearían sólo si se
consideraran electrodos o elementos de electrodo muy pequeños, es
decir, cuadrados, en el intervalo de milímetros y más pequeños. Como
tal, aunque la disponibilidad de frecuencias "tan altas como 2
MHz" se indica de pasada. la patente estadounidense 5.614.332 se
concentra en modos de "deformar plásticamente" el electrodo
(véanse reivindicaciones independientes), y - de la misma forma que
la patente estadounidense 5.963.008 - desaconseja el uso de
frecuencias superiores a menos que se traten electrodos o cuadrados
de electrodo muy pequeños (de un tamaño de milímetros).
La estimulación mecánica se prefiere más a la
estimulación eléctrica, porque evita muchos de los problemas
mencionados anteriormente con respecto a energía desperdiciada y
degradación añadida. Sin embargo, toda la técnica anterior que
implica estimulación mecánica se centra en las estructuras físicas
de la batería, y no en la química que enlaza los productos de
reacción química a los electrodos. Todos ellos enseñan que en lo
concerniente a la excitación mecánica, los datos pertinentes para
seleccionar frecuencias son datos tales como la velocidad del
sonido en el medio que se está haciendo vibrar, y el tamaño físico
de la estructura de batería que se busca estimular. Así, según se
enseña en la columna 6, líneas 9-10 de la patente
estadounidense 5.614.332, "la frecuencia es inversamente
proporcional al tamaño del electrodo de batería." Y, según se
enseña comenzando en la columna 5, la línea 31 de la patente
estadounidense 6.060.198, "la frecuencia ultrasónica que va a
seleccionarse y su intensidad son funciones de las características
estructurales de toda la batería." Y, según se enseña claramente
en la patente estadounidense 5.963.008 en la columna 4, líneas
42-44, "la naturaleza y forma de los elementos de
la batería que van hacerse vibrar acciona la selección de
frecuencia."
No hay sugerencia alguna acerca de introducir
excitaciones mecánicas a niveles de energía a los que los enlaces
covalentes se forman con los electrodos, y de hecho, todas las
patentes que emplean ondas de sonido (estimulación mecánica)
directamente desaconsejan esto sugiriendo que la frecuencia se
determina basándose en la estructura física de la batería, y que
frecuencias superiores son de interés sólo cuando están
considerándose características estructurales pequeñas. Es decir,
estas patentes se centran completamente en manipular el electrodo o
la estructura de batería, para eliminar, no evitar, la sulfatación
y efectos similares en primer lugar, y no en evitar enlaces no
deseados de productos de reacción química con el electrodo.
Se da a conocer un método y dispositivo con
características técnicas especiales correspondientes para mejorar
el rendimiento de energía y evitar sustancialmente la degradación de
un proceso de conversión de energía química en eléctrica de un
dispositivo de almacenamiento de energía según se define en las
reivindicaciones 1 y 24. En las reivindicaciones dependientes se
definen realizaciones preferidas.
Las características de la invención que se creen
novedosas se exponen en las reivindicaciones adjuntas. La
invención, sin embargo, junto con objetos y ventajas adicionales de
la misma, puede comprenderse mejor por referencia a la descripción
siguiente tomada en conjunción con el/los dibujo(s)
adjunto(s) resumidos a continuación.
La figura 1 es una fotografía que ilustra una
sección microscópica de un electrodo que no ha estado en contacto
con un electrólito.
La figura 2 es una fotografía que ilustra una
sección microscópica de un electrodo similar después de seis meses
de uso.
La figura 3 es una vista en perspectiva
esquemática que ilustra un sustrato de película de
titanato-zirconato de plomo (PZT) alojado dentro de
un material que no reaccionará químicamente dentro de la célula, en
una realización de la invención.
La figura 4 es un gráfico que ilustra un enfoque
de diseño para las oscilaciones de frecuencia de PZT durante la
carga y descarga, cuando se emplean en diversas realizaciones de la
invención.
La figura 5, que no está a escala, es una vista
en perspectiva que ilustra una pequeña vista en sección transversal
que deja ver el interior de una rejilla de batería activa en una
realización de la invención, en un estado completamente
descargado.
La figura 6 es un diagrama de circuitos que
ilustra un modelo de carga y descarga para un dispositivo de
almacenamiento de energía en diversas realizaciones de la
invención.
La figura 7 es un diagrama de circuitos que
ilustra un modelo de descarga para un dispositivo de almacenamiento
de energía en diversas realizaciones de la invención.
La figura 8 es un diagrama de circuitos que
ilustra un modelo de carga para un dispositivo de almacenamiento de
energía en diversas realizaciones de la invención.
La figura 9 es una vista en planta superior que
ilustra una vista en despiece ordenado de un elemento de rejilla
activo, así como las "nubes" de sulfato o similar que se forman
alrededor de este elemento.
La figura 10 ilustra un producto final de
energía de AGT, por ejemplo, batería, en diversas realizaciones.
Esta descripción demostrará un método y/o un
proceso que puede usarse dentro de un dispositivo 10 de
almacenamiento de energía (por ejemplo, batería, o cualquier otro
dispositivo 10 de almacenamiento de energía que usa una matriz 51
con un electrólito) para evitar que depósitos de sulfato o sus
equivalentes alcancen un nivel que degradará el dispositivo. Al
hacer esto, varios beneficios se harán evidentes.
Sin embargo, esta descripción no se limita a
dispositivos de almacenamiento de energía. Las descripciones en el
presente documento sirven para ayudar a varios tipos de reacciones
químicas reversibles. Una célula solar puede beneficiarse
preparando mejor la célula para transferir energía. Y, en general,
esta descripción puede usarse para ayudar a cualquier reacción
química para la que sus constituyentes "se depositan"
impidiendo así la reacción inversa. El fin de esta descripción es
también demostrar, aplicando este proceso a una tecnología ya
existente, las limitaciones actuales que se eliminarán. Los
dispositivos de almacenamiento de energía, tales como las baterías
de plomo-ácido usadas a modo ilustrativo, pero también de
níquel-cadmio; baterías de hidruro metálico de
níquel, ión litio, polímero-litio,
sodio-azufre de alta temperatura, y ciertos tipos
de células de combustible, todas se beneficiarán del uso de este
proceso.
Los métodos actuales de carga de un dispositivo
10 de almacenamiento de energía llevan mucho tiempo y son
ineficaces. El tiempo requerido para cargar completamente una
batería de plomo-ácido, por ejemplo, es del orden de horas. La
energía aportada a una batería durante esta carga es siempre muy
superior a la que devuelve. Hay varios factores que hacen que esto
ocurra y los principales se comentarán en el presente documento.
Muchos intentos de la industria de baterías han minimizado estas
deficiencias pero no han podido eliminarlas. La tecnología de
rejilla activa (AGT, Active Grid Technology) dada a conocer
en el presente documento, las elimina todas, no mediante el uso de
una sustancia químicamente activa, sino, en una realización
principal, usando un electrodo activo, o electrodo
"inteligente", que es controlable. En esta realización
principal, los electrodos activos vibran con un nivel (amplitud)
muy bajo tanto durante el ciclo de descarga como el de carga.
Durante la fase de descarga los enlaces de los precipitados de la
reacción química (sulfato de plomo (PbSO_{4}) en el caso de una
batería de plomo-ácido) se mantienen inestables, es decir, en su
estado de energía más alto, evitando así que se estabilicen y
formen enlaces más fuertes. Entonces, cuando se aplica la carga, se
requiere muy poca energía para enviar los iones sulfato excitados de
nuevo a disolución. Las técnicas usadas actualmente tales como las
descritas anteriormente se centran en reacondicionar una batería
después de que la degradación ya ha sucedido. La AGT se centra en
evitar que esta degradación se produzca en primer lugar. Evitando
que se formen estos enlaces perjudiciales en primer lugar, no se
requiere la energía necesaria para romperlos en la reacción química
inversa, aumentando así sustancialmente la eficacia del proceso de
conversión de energía y evitando daño a la estructura de batería.
Además, muchas de las técnicas anteriores usan un proceso al que se
hace referencia como recombinación. Este proceso recombina gases
producidos dentro de un dispositivo 10 de almacenamiento de
energía, eliminando de este modo los efectos perjudiciales asociados
con la formación de gases. La AGT es un proceso que reducirá
drásticamente la formación de gases incluso antes de que esta llegue
a producirse.
De nuevo, la batería de plomo-ácido se usará con
fines ilustrativos. En una batería de plomo-ácido, la matriz 51 es
plomo (Pb) o dióxido de plomo (PbO_{2}) y el electrólito es ácido
sulfúrico (H_{2}SO_{4}). Durante la reacción de descarga, los
productos de reacción química, particularmente iones sulfato
(SO_{4}), transferirán electrones con los iones de plomo
estableciendo así un enlace iónico. Mientras que los sulfatos
permanecen en la proximidad de la matriz 51, estos enlaces caerán a
niveles de energía sucesivamente inferiores y entonces se formarán
enlaces covalentes que finalmente degradarán el proceso de
conversión de energía. El precipitado resultante es PbSO_{4}. A
medida que esta relación covalente se fortalece con el tiempo, yendo
a estados de energía sucesivamente inferiores, se producirá la
sulfatación (cristalización) lo que degradará la batería y
finalmente la destruirá. La AGT excita los productos de reacción
química dentro del dispositivo 10 de almacenamiento de energía a
niveles de energía próximos a los cuales enlaces covalentes con una
matriz 51 del dispositivo 10 de almacenamiento de energía formarían
ausencia de excitación, manteniendo así sustancialmente enlace
iónico entre los productos de reacción química y la matriz 51 y
evitando sustancialmente que los productos de reacción química se
enlacen de manera covalente con la matriz 51. En el caso especial de
una batería de
plomo-ácido, esto significa que la AGT evita sulfatación y se requiere menos energía para invertir la reacción química.
plomo-ácido, esto significa que la AGT evita sulfatación y se requiere menos energía para invertir la reacción química.
Para una batería de NiMH, la matriz 51 es NiO y
MH, el electrólito es KOH, y el objetivo es evitar que el
precipitado de reacción química Ni(OH)_{2} forme
enlaces covalentes perjudiciales evitando así la cristalización y
reduciendo la cantidad de energía requerida para invertir la
reacción química. En este caso, la AGT excita los productos de
reacción química (OH)_{2} a los niveles de energía próximos
a los cuales enlaces covalentes entre el Ni y el (OH)_{2}
formarían de otro modo ausencia de excitación, evitando así
sustancialmente que los productos de reacción química formen
enlaces covalentes perjudiciales con la matriz 51.
Para una batería de NiCd, la matriz 51 es Cd y
NiO, el electrólito es KOH, y el objetivo es evitar que los
precipitados de la reacción química Cd(OH)2 y
Ni(OH)2 formen enlaces covalentes perjudiciales
evitando así la cristalización y reduciendo la cantidad de energía
requerida para invertir la reacción química. En este caso, la AGT
excita los productos de reacción química (OH)2 a los niveles
de energía próximos a los cuales enlaces covalentes entre el Ni y
el (OH)2, y el Cd y el (OH)2, existirían de otro modo
en ausencia de excitación, evitando así sustancialmente que los
productos de reacción química formen enlaces covalentes
perjudiciales con la matriz 51.
Para una batería de ión Li, la matriz 51 es Li y
algún otro tipo de aleación (X), y el objetivo es evitar que el
producto LiXO_{2} de reacción química forme enlaces covalentes
perjudiciales de modo que se evita la cristalización y se reduce la
cantidad de energía requerida para invertir la reacción química. En
este caso, la AGT excita los productos XO_{2} de reacción química
a niveles de energía próximos a los cuales enlaces covalentes entre
el Li y XO_{2} de otro modo formarían ausencia de excitación, lo
que evita sustancialmente que los productos de reacción química
formen enlaces covalentes perjudiciales con la matriz 51.
De este modo, se entenderá que el término
"matriz" tal como se emplea en el presente documento se refiere
a cualquier material de electrodo que puede emplearse en un tipo de
batería dado, ya sea éste plomo para una batería de plomo-ácido, Ni
para una batería de NiMh, Cd para una batería NiCd, Li para una
batería de ión Li, o Ag y Zn para una batería AgZn, por ejemplo.
Esta descripción se aplica a baterías similares y sus materiales
los cuales no se indican expresamente aquí, y según puedan
desarrollarse en el futuro. También se reconoce mediante esta
descripción que las reacciones químicas ilustradas son sólo una de
muchas de las reacciones que tienen lugar dentro del dispositivo 10
de almacenamiento de energía. Esta descripción se concentra en las
reacciones mayoritarias que tienen lugar dentro del dispositivo 10
de almacenamiento de energía, es decir en las reacciones que
accionan la producción de energía durante la descarga, y en las
reacciones necesarias pare reconstituir el electrólito durante la
recarga. De manera similar, se entenderá que los "productos de
reacción química" se refieren en general a las moléculas o átomos
libres que se liberan del electrólito durante la descarga y que a
su vez forman enlaces covalentes e iónicos con las moléculas o
átomos de la matriz 51 en los que los enlaces covalentes tienden a
degradar el rendimiento de la batería con el tiempo y aumenta la
energía requerida para invertir la reacción química. Para una
batería de plomo ácido, el electrólito es H_{2}SO_{4}, y uno de
los productos de reacción química es SO_{4}, que enlaza
iónicamente con Pb para formar precipitado de PbSO_{4}, y es la
formación posterior de enlaces covalentes entre el Pb y el SO_{4}
que conduce a la degradación del rendimiento de la batería y al
exceso de energía requerida para invertir la reacción química y que
va a impedirse con la AGT.
Para una batería de NiMh, el electrólito es KOH,
y el producto de reacción química es OH, que enlaza iónicamente con
el Ni para formar precipitado de Ni(OH)_{2}, y es la
posterior formación de enlaces covalentes que conducen a la
degradación del rendimiento de la batería y al exceso de energía
requerida para invertir la reacción química y que va a impedirse
con la AGT. Para una batería de NiCd, el electrólito es KOH, y el
producto de reacción química es OH, que enlaza iónicamente con el
Ni y el Cd para formar precipitado de Ni(OH)_{2} y
Cd(OH)_{2} y es la formación posterior de enlaces
covalentes la que conduce a la degradación del rendimiento de la
batería y al exceso de energía requerida para invertir la reacción
química y que va a impedirse con la AGT. De nuevo, esto se aplica a
baterías similares y sus materiales que no se indican expresamente
aquí, y que pueden desarrollarse en el futuro.
La tecnología de rejilla activa (AGT) emplea
dispositivos y métodos que no dependen de aplicar tensiones elevadas
dañinas y/o corrientes a través de la potencial de la batería, como
es el caso de las varias patentes de estimulación eléctrica dadas a
conocer anteriormente. Mantiene los productos de reacción química,
por ejemplo., los SO_{4}, agitados durante la descarga de modo
que nunca se forman enlaces covalentes en primer lugar. Si un ión
SO_{4} intenta ir a un estado inferior para formar un enlace
covalente con la matriz 51 del dispositivo de almacenamiento de
energía, la AGT evitará que lo haga. Por lo tanto tensiones y
corrientes más pequeñas se requieren para recargar una batería, y
nunca se necesita el "martillo neumático" de corrientes de
rápido tiempo de subida.
Para evitar la formación de enlaces de sulfato,
el nivel de energía de la molécula SO_{4} debe mantenerse en un
punto en el que los electrones en la banda de valencia exterior se
exciten a la próxima banda superior, dejando los átomos no
enlazados entre sí. De este modo es necesario excitar estos enlaces,
que permitirán que la molécula excitada se mueva a un estado
superior. Este proceso se administra durante la fase de descarga
para mantener sustancialmente todos los enlaces en el estado
excitado más superior o más elevado. Entonces, y sólo entonces, la
molécula de sulfato puede convertirse en un ión libre en disolución.
Cuando se aplica la corriente inversa (recarga), dará a estos
enlaces elevados el exceso de energía requerido para separarse de
la matriz 51 y regresar al electrólito. Este enfoque elimina la
sulfatación en el ejemplo de plomo-ácido, y en general
sustancialmente mantiene el enlace iónico entre los productos de
reacción química y la matriz 51 y sustancialmente evita que los
productos de reacción química se enlacen de manera covalente con la
matriz 51.
La AGT eleva los enlaces que se forman en un
dispositivo 10 de almacenamiento de energía mientras que se está
utilizando como una fuente de energía (descarga). En otras palabras,
a medida que el dispositivo de almacenamiento llevar a cabo su
función prevista, la AGT no permitirá que la sulfatación se
produzca, y más en general no permitirá que los productos de
reacción química formen enlaces covalentes con la matriz 51. La AGT
eleva estos enlaces aplicando una perturbación de bajo nivel
próxima a las frecuencias en que pueden existir los enlaces
covalentes (estados de energía inferiores). Esta excitación ayuda a
evitar que los enlaces iónicos de sulfato (y más en general los
enlaces entre los productos de reacción química y la matriz 51)
alcancen estos estados covalentes de energía inferiores. De este
modo cuando el dispositivo de almacenamiento está cargado, sólo se
necesitan tensiones y corrientes muy pequeñas para conducir de nuevo
los productos de reacción química en el electrólito. La AGT elimina
la sulfatación (y deposición similar en otras baterías) y sus
efectos perjudiciales indicados anteriormente. Haciendo esto, la
AGT ha allanado el camino para un dispositivo 10 de almacenamiento
de energía eficaz y eficiente. En lugar de usar una forma de energía
para cargar un dispositivo de almacenamiento, la AGT ha dividido en
entidades separadas la energía usada para cargar una batería. La
energía mecánica, más que la eléctrica, se utiliza para elevar los
enlaces creados durante la fase de descarga. Puesto que estos
enlaces permanecen sustancialmente elevados se evita sustancialmente
la formación de los enlaces covalentes de energía inferiores.
Durante la fase de carga, se usa tanto energía eléctrica como
mecánica. En realizaciones preferidas, la energía eléctrica se usa
por supuesto para recargar la batería de la manera habitual, y la
energía mecánica facilita la conducción de los productos de reacción
química de nuevo en el electrólito. Esta línea de pensamiento aleja
el paradigma de la eliminación de sulfatación hasta la prevención de
la sulfatación, por lo que se consigue mejorar el rendimiento del
dispositivo de almacenamiento. La AGT no desperdicia energía, y no
acepta la degradación asociada; usa ese exceso de energía para su
fin previsto: lo almacena y lo entrega.
En realidad, una batería de plomo-ácido carece
de memoria, pero a medida que la batería envejece actúa como si la
tuviera. Cuando crecen los PbSO_{4} crecen (cristalizan) provocan
esfuerzo en la matriz 51 y partes de la matriz 51 caerán al fondo
de la batería (eliminación de carga). La eliminación de carga reduce
la capacidad de la batería, disminuye la vida de la batería y puede
provocar células cortocircuitadas. Cuando se aplica una corriente
inversa (carga) una mayoría de los SO_{4} se llevan de nuevo a
disolución. Si la carga no es suficiente no será posible superar a
los enlaces más fuertes formados dentro de la matriz 51. La
sulfatación y la eliminación de carga son muy limitadoras en cuanto
al diseño de batería, y los fabricantes han estado intentando
reducir estos efectos durante décadas. Si se eliminan estos efectos,
la batería podría ser mucho más pequeña y su capacidad de
almacenamiento de energía se podría mantener con el tiempo,
sustancialmente sin pérdida a medida que la batería envejece. Los
fabricantes de batería diseñan actualmente baterías que son más
grandes de lo necesario para compensar la degradación anticipada
cuando éstas envejecen. Tanto como dos tercios de la matriz 51
dentro de una célula de batería de cuentas de la degradación en la
vida de la batería. Por lo tanto usando la AGT cada batería puede
diseñarse de un tercio de su tamaño y peso originales, y seguir
proporcionando la mismas características energéticas. Esto permite
generar el triple de energía a partir de una batería de un tamaño
dado. A medida que la batería envejece no pierde capacidad de
almacenamiento de energía porque la AGT mantiene los electrodos y
el electrólito en una condición "como nueva".
Hay otros factores que hacen menos que deseables
los diseños de batería actuales. La energía requerida para cargar
una batería es siempre mayor que la energía que suministra. De este
modo, las baterías son muy ineficaces. Mientras que la batería se
descarga, la energía química se convierte en energía eléctrica.
Durante el proceso de carga, se convierte energía eléctrica en
energía química invirtiendo la reacción química. Esto requiere
tensiones de funcionamiento superiores a las normales para conducir
esta reacción química en el sentido inverso. Tal como se observa en
los antecedentes de la invención, esta tensión superior tiene dos
efectos adversos. El primero es que las tensiones superiores
provocan la formación de gases. La formación de gases se produce
porque cuando una célula está descargada una gran parte del
electrólito restante es agua (H_{2}O). Cuando el H_{2}O
experimenta un potencial se separará en sus constituyentes
(electrólisis), hidrógeno y oxígeno. A medida que aumenta el
potencial lo hará la formación de gases. Los efectos de gases
inflamables que se forman en un recipiente sellado son obvios. Esto
debe tenerse en cuenta en la construcción de una batería. Una
batería debe construirse de tal manera que tenga la capacidad para
descargar este gas generado. La AGT permite que la reacción química
inversa se produzca sin usar tensiones y corrientes elevadas. Por lo
tanto se forma menos gas. Otro efecto, no tan obvio, es que esta
formación de gases también consume la vida de la batería. No hay
razón para que estos gases se lleven de nuevo a disolución. Esto se
corresponde con una pérdida de agua y por lo tanto de electrólito.
Si la batería es una unidad sellada, no es una opción añadir más
agua. Incluso aunque no se desea la formación de gases ésta provoca
una mezcla del electrólito dentro de las células. Esto tiene la
ventaja de reducir la estratificación que puede producirse en
algunos diseños de batería. La estratificación se produce cuando
ciertos niveles del electrólito se hacen más reactivos que otros a
causa de la gravedad. El segundo efecto adverso de la tensión
superior es que estas reacciones químicas adicionales generan calor.
Puesto que este proceso de carga lleva tanto tiempo, esta adición
de calor puede llegar a ser un factor limitador durante la carga, y
puede provocar daño estructural.
La mayoría de los enfoques que aumentan la vida
y capacidad de almacenamiento de energía de la batería se centran
en medios químicos. Sin embargo, la AGT se basa en un enfoque
mecánico, no químico. En esencia, agita el entorno de manera que
estas formaciones de PbSO_{4} resistentes no tengan oportunidad de
formase en primer lugar, y los SO_{4} no tengan otra opción que
llevarse de nuevo a disolución cuando la batería se recarga.
Esta nueva tecnología puede añadirse durante la
etapa de fabricación en cualquier batería recargable que presente
los problemas mencionados anteriormente. Las dimensiones de la
batería no necesitan cambiarse. Esta tecnología puede tomar muchas
formas diferentes dentro de la batería. En alguna realización, esta
tecnología se añade a la rejilla del electrodo. Esta adición
eliminará, y/o minimizará, todos los efectos adversos mencionados
anteriormente. El método por el que esta tecnología se incorpora en
los electrodos puede variar en gran medida. Con independencia del
método de implementación, esta tecnología revolucionará seguramente
las baterías tal y como las conocemos. Esta tecnología se basa en
excitar mecánicamente productos de reacción química dentro del
dispositivo 10 de almacenamiento de energía a niveles de energía
próximos a los cuales enlaces covalentes con una matriz 51 del
dispositivo 10 de almacenamiento de energía formarían ausencia de
excitación. Emplea un material 31 activo mecánicamente sensible a
señales electromagnéticas, tal como, pero no limitado a, PZT.
También es posible instalarlo en una batería que
ya se ha fabricado. En una realización de instalación de este tipo,
el usuario final o el fabricante simplemente añade un material 31
activo a los terminales de la batería, accionado por un módulo de
control. Una mayoría del electrodo dentro de una batería se fabrica
en un material de tipo rígido. Este material de tipo rígido se usa
para telegrafiar las vibraciones a la matriz 51. Este último método
de excitar la matriz 51 requiere más energía debido a las mayores
vibraciones de amplitud que se requieren para superar las pérdidas
mecánicas asociadas con los electrodos. Para una batería de plomo
ácido de tipo borne superior los actuadores se fabrican para
adherirse al borne. Tienen un diseño tubular y se deslizan por la
terminal. Con independencia del método usado para transmitir
vibraciones a la matriz 51 la batería se beneficiará de la AGT.
En una realización mostrada en la figura 3, un
material 31 activo que comprende un sustrato de película en tiras
de titanato-zirconato de plomo (PZT), o material
comparable se aloja dentro de un recubrimiento de material 32
protector que no reaccionará químicamente dentro de la célula. El
sustrato de película es muy delgado; algunas capas de hoja 33 de
PZT pueden requerirse. Se observa que el grosor de la tira de PZT es
preferiblemente del orden de micrones, y el grosor de la hoja 33 de
PZT es preferiblemente del orden de milésimas de pulgada. También se
ilustran en la figura 3 cables 34 internos y conectores 35.
El recubrimiento 32 protector para el sustrato
de película en tiras de PZT comprende preferiblemente un material
acrílico, de plástico o de poliuretano. Este material es lo bastante
grueso para alojar este material 31 activo, pero lo bastante
delgado para garantizar que la matriz 51 perciba sus vibraciones.
Este material de recubrimiento 32 proporciona aislamiento eléctrico
y químico de la matriz 51, terminales de electrólito y batería.
También puede transferir calor lejos de la tira de PZT. Esto
permite que puedan percibirse perturbaciones a través de toda la
matriz 51. Mediante una elección de material adecuada, el propio
material protector puede aumentar la fuerza del electrodo. Esto
permite a los fabricantes concentrarse en aumentar la capacidad de
almacenamiento de energía de la batería antes que en mejorar la
fuerza. Las células de batería se diseñan actualmente para soportar
vibraciones externas. Con el uso de la AGT este diseño puede
desplazarse a maximizar la eficacia de almacenamiento de energía de
la batería. El sustrato de película forma tiras, u otra disposición
adecuada, y se sitúa de modo que cuando vibra mantiene (durante la
descarga) o desequilibra (durante la recarga) los enlaces iónicos
formados entre la matriz 51 (por ejemplo, Pb) y los productos de
reacción química (por ejemplo, SO_{4}). Los cables 34 están
unidos de manera interna a las tiras de actuación y permiten
conectar 35 externamente un módulo de control. Los enlaces en la
propia matriz 51 son mucho más fuertes, y si no, se harán más
fuertes. Varios métodos están disponibles para reforzar enlaces
dentro de la matriz 51. La propia matriz 51 puede doparse con
ciertos elementos de refuerzo para aumentar la fuerza de los enlaces
dentro de ésta.
Además, o de manera alternativa, un cristal de
PZT puede añadirse una estructura rígida, en una posición
predeterminada, para obtener las deflexiones modales deseadas en la
superficie. Las dimensiones de esta estructura rígida también
pueden determinarse basándose en mejor las frecuencia de interés. Se
conoce bien, por ejemplo, que la frecuencia resonante de un cristal
de PbSO_{4} (banda de energía inferior) es aproximadamente 3,26
MHz. Los niveles de energía más altos asociados con los enlaces
iónico y covalente de PbSO_{4} son resonantes a frecuencias más
altas. Las ventajas asociadas a AGT se consiguen con señales de
accionamiento en el intervalo de frecuencia d >400 KHz a 100
MHz. Las frecuencias a las que los enlaces covalentes de interés
existirán están aproximadamente entre 1MHz y 10 MHz y en estas
frecuencias pueden conseguirse excitaciones de muchas maneras
diferentes. Pueden situarse actuadores para establecer ondas
estacionarias que estimularán el intervalo de frecuencia de
interés. La señal de accionamiento no necesita estar en y/o
comprendida de frecuencias dentro del intervalo de frecuencia de
interés. Determinando científicamente varias configuraciones de
actuadores con la ayuda de programas de análisis informáticos,
tales como NASTRAN®, la AGT establecerá ondas estacionarias que
serán subarmónicos y/o armónicos de la señal de accionamiento. Pero
el objetivo principal es excitar mecánicamente productos de
reacción química dentro del dispositivo 10 de almacenamiento de
energía a niveles de energía próximos a los cuales enlaces
covalentes con una matriz 51 del dispositivo 10 de almacenamiento de
energía formarían ausencia de excitación, con independencia de las
frecuencias de accionamiento que pueden usarse para conseguirlo.
En algunas realizaciones, la AGT produce
vibraciones que barren a través de estos estados de energía de nivel
inferior en todo el ciclo de descarga. Durante el ciclo de carga
este barrido de intervalo de frecuencias se extiende para incluir
la frecuencia resonante de enlace de PbSO_{4} de energía más alta.
La figura 4 ilustra el enfoque de diseño en la situación
ilustrativa en la que el material de PZT se usa para introducir
estas vibraciones.
Tal como se muestra el material de PZT se hace
funcionar sobre un intervalo lineal. La frecuencia f_{m} más baja
es la frecuencia en la que el PZT tiene un desplazamiento mínimo
(z). La frecuencia f_{h} más alta es la frecuencia a la que el
material de PZT experimenta el desplazamiento máximo. Durante el
ciclo 41 de descarga (d) el módulo de control de AGT barre a través
de una banda de frecuencia entre f_{d1} y f_{d2}. Durante el
ciclo 42 de carga (c) la banda de frecuencia se aumenta a un
intervalo entre f_{d1} y f_{c1}. Las dimensiones de la placa de
vibración están predeterminadas para maximizar la respuesta adecuada
para AGT.
Esto ilustra varios conceptos importantes. Como
se observó anteriormente, preferiblemente se introducen excitaciones
mecánicas durante al menos parte de un tiempo mientras el
dispositivo 10 de almacenamiento de energía se descarga. Además,
preferiblemente se introducen durante al menos parte de un tiempo
mientras el dispositivo 10 de almacenamiento de energía se carga.
Durante la descarga, se prefiere introducir las excitaciones
mecánicas a niveles de energía que mantienen sustancialmente los
enlaces iónicos entre los productos de reacción química y la matriz
51. Durante la carga, se prefiere introducir las excitaciones
mecánicas a niveles de energía que rompen sustancialmente los
enlaces iónicos entre los productos de reacción química y la matriz
51 y provocan que los productos de reacción química regresen a un
electrólito del dispositivo 10 de almacenamiento de energía. Esto da
cuentas del hecho de que f_{c1} se ilustre para ser mayor que
f_{d2}, en la figura 4. En algunas realizaciones, se prefiere
barrer las excitaciones mecánicas a través de una pluralidad de
niveles de energía próximos a niveles de energía de los enlaces
covalentes. En particular, se prefiere barrer las excitaciones
mecánicas, durante al menos parte de un tiempo mientras el
dispositivo 10 de almacenamiento de energía se descarga, a través
de una pluralidad de ciclos de descarga de niveles de energía
próximos a niveles de energía de los enlaces covalentes; barrer las
excitaciones mecánicas, durante al menos parte de un tiempo durante
el que el dispositivo 10 de almacenamiento de energía se carga, a
través de una pluralidad de ciclos de carga de niveles de energía
próximos a niveles de energía de los enlaces covalentes; y barrer la
pluralidad de ciclos de carga de niveles de energía a través de al
menos un nivel de energía superior al nivel de energía más superior
de la pluralidad de ciclos de descarga de niveles de energía.
Finalmente, esto ilustra el deseo de excitar mecánicamente los
productos de reacción química para un nivel de energía próximo al
nivel de energía más bajo de los enlaces covalentes, y también, de
excitar mecánicamente los productos de reacción química en un nivel
de energía próximo a un nivel de energía superior de los enlaces
covalentes.
De nuevo, puesto que se usa aquí
titanato-zirconato de plomo (PZT) para ilustrar la
invención, es solo un ejemplo de un material 31 activo que sería
adecuado para su uso en conexión con la invención, y no se pretende
de ninguna manera limitar la invención. Otros ejemplos de materiales
que serían adecuados para su uso en esta invención incluyen, pero
no se limitan a, ferroeléctricos, electrostrictivo, y
magnetostrictivo. Más fundamentalmente, cualquier material conocido
actualmente en la técnica o que puede llegar a conocerse en el
futuro en la técnica sería adecuado para su uso en esta invención,
si ese material tiene la capacidad de producir desplazamiento en el
intervalo de frecuencia mencionado anteriormente con una excitación
externa, y en particular, para excitar lo suficiente moléculas de
sulfato (y en general productos de reacción química) dentro de un
dispositivo 10 de almacenamiento de energía en un nivel de energía
al que los electrones en la banda de valencia exterior de las
moléculas de sulfato se exciten a al menos la siguiente banda de
valencia superior de las moléculas de sulfato, por lo que se evita
sustancialmente que se formen enlaces covalentes entre las moléculas
de sulfato y la matriz 51 del dispositivo 10 de almacenamiento de
energía y permite a los productos de reacción química (por ejemplo,
moléculas de sulfato) mantener un estado iónico sustancialmente no
enlazado.
Estas pequeñas vibraciones de amplitud
establecen perturbaciones durante la descarga que hacen que los
enlaces de PbSO_{4} permanezcan en su estado más superior. Estas
perturbaciones, sin embargo, no alejan los iones de SO_{4} de la
matriz 51 porque todavía están sujetas a las fuerzas de atracción
química (iónica). A continuación, durante la carga, los iones de
SO_{4} se llevan de nuevo al electrólito durante un tiempo en el
que sus enlaces iónicos con la matriz 51 no sean necesarios. Se
consigue así lo mejor de ambos lados.
El electrodo activo, tal como se muestra en la
realización de la figura 5, es capaz de manejar una cantidad más
grande de corriente que sus predecesores. Nos referimos de nuevo al
ejemplo del plomo ácido. Presionando una rejilla en cada lado de la
hoja 33 de PZT que comprende el material 31 activo tal como un
sustrato de película en tiras de PZT y hoja 32 de PZT, (explicado a
continuación), la misma cantidad de matriz 51 de Pb o PbO_{2}
puede pegarse durante la etapa de fabricación. La estructura rígida
a la que se adhiere la pasta es la propia hoja 32 de PZT. El método
de adherir la pasta a la hoja es con el uso de una retícula 52 de
rejilla de aleación de Pb, que puede tomar diferentes formas, que
penetra en el propio recubrimiento protector. El recubrimiento
protector tomará el lugar de rejillas actualmente utilizadas. El
grosor del electrodo es comparable con rejillas de corriente
utilizadas en baterías de ácido de Pb. La retícula 52 de rejilla de
aleación de Pb puede presionarse en la hoja 32 de PZT y montarse.
El grosor de la matriz 51 en cada lado de la hoja de PZT puede ser
menor que sus predecesores, preferiblemente sobre la mitad del
tamaño de los diseños de matriz actuales. Hasta la AGT no había
motivo para reconfigurar un electrodo para incluir un material
reactivo de forma no química. Este proceso sólo saca de la
capacidad de almacenamiento de energía de la batería. Además, se
limitarían también los puntos de reacción química dentro de la
matriz 51 lo que reduce su capacidad portadora de corriente. El
electrodo se diseña ahora para mejorar las frecuencias (de enlazado
covalente de Pb y SO_{4}) deseadas para hacer a la AGT más
ventajosa. Esto maximiza las vibraciones de interés para afectar a
más cadenas de PbSO_{4} dentro de los poros de la matriz 51.
Además, el electrólito no tiene ninguna dificultad en alcanzar
estas cadenas. Por lo tanto, para el mismo tamaño de batería, la
capacidad de almacenamiento de energía es mayor. Este incremento en
densidad de energía devolverá la batería de plomo ácido al primer
plano de los mercados "híbridos" y "eléctricos". También
se ilustran como una "nube" sombreada formaciones 53 de
PbSO_{4} en la superficie de la matriz 51.
Con la tecnología de rejilla activa, la batería
puede recargarse en cualquier estado de carga. Todos los SO_{4}
regresan a la disolución durante cada carga, en todo momento. Puesto
que no hay sulfatación, eliminación de carga ni formación de gases,
no hay razón por la que la batería no pueda durar un tiempo de vida
útil. El siguiente modelo de carga y descarga de la AGT, ilustrado
en la figura 6, se utilizará para explicar el proceso de AGT.
La figura 6 demuestra cómo funciona la AGT para
manipular la aceptación de carga de una célula 61 de batería. El
concepto de cambiar la forma en la que una batería de plomo ácido
acepta una carga no es nuevo en sí mismo. Los métodos usados
actualmente se basan en mejorar la composición química de la
batería. La AGT no altera la composición química ni las reacciones
químicas que ocurren dentro de una célula de batería. El proceso de
oxidación y reducción no se cambia de ninguna manera. La célula
todavía transfiere la misma cantidad de electrones durante el ciclo
de carga y descarga. En el modelo de la figura 6, la célula 61 de
batería se representa mediante placas paralelas (CB) con
resistencia interna (RB). Las placas mostradas tienen dos
estructuras entre las placas que representan hojas de PZT con la
matriz 51 unida 5.El modelo mostrado es una batería completamente
cargada que acaba de iniciar su ciclo de descarga. El módulo 62 de
control de la AGT se alimenta mediante la tensión de batería y se
usa para accionar los actuadores dentro de la hoja 33 de PZT. En el
modelo 63 de PZT dinámico ilustrado, la resonancia mecánica del
dispositivo de PZT se representa mediante L1, C1 y R1. Puesto que
es un dieléctrico con electrodos, tiene también una capacidad C2
eléctrica. Este es un modelo simplificado del dispositivo de PZT.
Muchas formas de modelos dinámicos están disponibles para las
estructuras de PZT. La unidad 64 de carga puede ser de cualquier
tipo de fuente de CCC tal como un alternador en un coche. Las
cargas 65 de CC son componentes tales como motores, radios,
ventiladores, etc. Los conmutadores 66 actualmente se muestran en
el estado de descarga. Cuando se aplica una carga el módulo de
control de AGT (101 en la figura 10) conmuta cada conmutador a la
posición de carga.
Tal como se ilustra ahora en la figura 7,
durante la fase de descarga la batería se descarga a través de RB,
las cargas de CC y el módulo de control de AGT. La resistencia
interna de la batería es muy pequeña y comparada con la Resistencia
de carga de CCC la resistencia del módulo de control de AGT es muy
grande. El módulo de control no consume una gran cantidad de
energía durante la fase de descarga. La cantidad de energía
consumida es comparable con las cargas de CC que suministra la
batería. A medida que las células se descargan, se forman
precipitados, por ejemplo, PbSO_{4}, por toda la superficie de la
matriz 51. Durante esta fase el módulo de control de AGT genera
señales que accionan los actuadores de PZT dentro de la hoja de PZT.
Las frecuencias generadas barren a través de las frecuencias
resonantes de los enlaces covalentes de PbSO_{4} de energía
inferior, y de los enlaces iónicos.
Continuando con el ejemplo de plomo ácido, tal
como muestra la "nube" 71 de producto de reacción química, los
iones SO_{4} se acomodan en las placas en un orden aleatorio.
Estos reaccionan químicamente con el Pb y la matriz 57 de
PbO_{2}. La hoja de PZT está vibrando mientras la batería se
descarga lo que mantiene los enlaces de PbSO_{4} en sus estados
de energía más altos (iónicos). Los PbSO_{4} por tanto no se
depositan más sobre la matriz 51. En cambio forman una nube 71
compacta de material tipo barro muy blando. El patrón de
distribución depende de la señal de accionamiento y de la estructura
de hoja de PZT. A medida que la batería se descarga su tensión de
terminal disminuye. El módulo de control de la AGT está configurado
de modo basándose en una condición predeterminada (por ejemplo,
nivel de tensión), se inicia el ciclo de carga. Con la AGT ya no
existe preocupación sobre la cantidad de descarga previa a la carga;
es decir, la batería no tiene que descargarse completamente de
manera periódica para restaurar una eficacia óptima. La AGT
permitirá a la batería cargarse en cualquier momento durante el
ciclo de descarga sin miedo a la degradación de la batería debida a
la sulfatación.
La figura 8 ilustra ahora el ciclo de carga.
Cuando se invoca el ciclo de carga, el conmutador de la carga de CC
se abre, el conmutador de carga se cierra y el conmutador del módulo
de control de AGT se cierra (a estos conmutadores se hace
referencia generalmente mediante 66 y se controlan mediante el
módulo 101 de control). El módulo de control de la AGT activa el
PZT o material 31 activo similar para extender el intervalo de
frecuencias barridas, tal como se comentó anteriormente en conexión
con la figura 4. Este intervalo añadido incluye la frecuencia de
resonancia de los enlaces iónicos de PbSO_{4} de energía más alta.
Como se observó anteriormente y se ilustró mediante la nube 81
expandida en la proximidad de las placas CB, los enlaces de
PbSO_{4} se desintegran y los SO_{4} regresan al
electrólito.
Se conoce ampliamente en la industria que las
baterías presentan efectos capacitivos. Es en estos efectos
capacitivos en lo que se centra la AGT. Una batería comprende placas
y éstas están separadas por un medio. El medio es el electrólito y
la formación de PbSO_{4} sobre las placas. En la teoría de
condensadores el dieléctrico entre las placas se caracteriza por su
permitividad eléctrica.
La AGT también usa esta relación para describir
las características de carga de una batería. En un dieléctrico la
permitividad depende de la frecuencia. Esto puede verse por la
dependencia de la reactancia capacitiva de la frecuencia. La AGT
manipula la permitividad del electrólito y las formaciones de
PbSO_{4} mediante la perturbación de las formaciones con
frecuencias a las que son susceptibles. A su vez, la AGT ha tomado
control de las características de respuesta eléctrica de la batería.
Durante la fase de descarga los enlaces se mantienen excitados por
lo que se establece el dispositivo de almacenamiento para su fase de
carga. Cuando se aplica la carga la permitividad será tal que
ofrezca menos impedancia a la fuente de carga.
En una realización, las propias rejillas de
electrodo reales pueden diseñarse para incorporar un material 31
activo mecánicamente sensible a señales electromagnéticas, tal como
PZT. Los fabricantes de baterías a menudo tratan de explicarse por
qué las baterías fallan al principio de su vida útil. En el pasado,
han afirmado que el efecto piezoeléctrico inherente dentro de la
célula de batería provoca realmente que la batería falle pronto. La
tecnología de rejilla activa no resolverá esta explicación, pero
aprovechará tal efecto introduciendo deliberadamente excitaciones
mecánicas a niveles de energía próximos a los cuales enlaces
covalentes con una matriz 51 del dispositivo 10 de almacenamiento
de energía formarían ausencia de excitación.
En particular, si las placas tienen un efecto
piezoeléctrico entonces hay cierta dilatación y contracción durante
la carga y la descarga y esto puede estar provocando que las
baterías fallen pronto, a veces de manera catastrófica. Una
realización de AGT potencia (dopa) los electrodos para producir
excitación mecánica aproximadamente a las frecuencias de interés,
frecuencias a niveles de energía en los que pueden existir enlaces
covalentes perjudiciales. Así, este efecto piezoeléctrico
incorporado puede aprovecharse a través de medios externos. Esto
requerirá añadir intencionadamente las proporciones correctas de
zirconato y titanato (en el caso de PZT), o sus equivalentes, a la
pasta antes de su aplicación a la retícula 52 de rejilla.
Los investigadores han demostrado que las
baterías presentan resonancia mecánica que es una función de su
diseño estructural. Otros han estado intentando aprovechar este
comportamiento para potenciar que la agitación de los cristales de
sulfato los lleve de nuevo a disolución. Los fabricantes, por otro
lado, diseñan baterías según su plataforma de funcionamiento. Les
interesa suprimir las inestabilidades mecánicas en lugar de
cultivarlas. Por ejemplo, una batería de coche se diseña para
soportar vibraciones del orden de 10-300 Hz porque
esto es a lo que un coche normal estaría sometido en una carretera
tipo. Sin duda, los fabricantes toman medidas para garantizar que
la célula pueda soportar vibraciones sostenidas continuadas en este
intervalo, puesto que deben pasarse varias pruebas de rendimiento
vibracional/resistencia a la fatiga antes de su uso en la
industria.
AGT puede aprovechar el efecto piezoeléctrico
inherente en la pasta de electrodo. Los elementos activos pueden
añadirse a la pasta para potenciar su respuesta electromecánica a
frecuencias a las que el rendimiento electroquímico puede
alterarse. Estos elementos activos pueden añadirse a la composición
química preexistente del electrodo que no alterarán las
características de respuesta eléctrica de la célula sin algún tipo
de excitación externa cuando pueden someterse a control.
En lugar de usar tensiones grandes y corrientes
enormes para desplazar los SO_{4} resistentes durante el proceso
de carga tal como se da a conocer en la técnica anterior, que a su
vez provoca daños a la batería, estos SO_{4} ya estarán en el
estado excitado debido a excitaciones mecánicas aplicadas durante la
descarga, y estarán desplazados mecánicamente, con un ímpetu
adicional para la eliminación de la propia carga de CC. Estas
perturbaciones son lo bastante grandes para deshacer los enlaces de
PbSO_{4} pero lo bastante pequeños para no deshacer los enlaces
internos de la propia matriz 51. Cuando se aplica una excitación de
carga a la rejilla activa acciona los dispositivos de vibración
dentro de la matriz 51. La señal de accionamiento de PZT es de una
amplitud, forma y frecuencia predeterminadas para potenciar el
proceso. Lo más importante, los productos de reacción química
dentro del dispositivo 10 de almacenamiento de energía a niveles de
energía próximos a los cuales enlaces covalentes con una matriz 51
del dispositivo 10 de almacenamiento de energía formarían ausencia
de excitación, de este modo manteniendo sustancialmente enlace
iónico entre los productos de reacción química y la matriz 51 y
evitar sustancialmente que los productos de reacción química se
enlacen de manera covalente con la matriz 51. Los enlaces de
PbSO_{4} que se acumulan en los poros de la matriz 51 se
desasocian con la ayuda de estas excitaciones mecánicas. Se empujan
los SO_{4} en el electrólito, y el tiempo requerido para
completar la carga disminuye drásticamente. No se requieren
tensiones superiores para llevar el SO_{4} a disolución puesto
que son ayudados por un dispositivo de consumo de potencia muy
bajo, en concreto, el material 31 activo. Por tanto, se eliminan la
formación de gases y la generación de calor, que ambos dañan la
batería. De manera adicional, perturbaciones de pequeña amplitud
establecidas en cada conjunto de rejilla activa a través del módulo
de control minimizan la estratificación.
El PZT, o material 31 activo equivalente para
introducir excitaciones mecánicas, consume corriente mínima y puede
modelarse como un condensador. Ya no se necesitan tensiones grandes
que producen corrientes enormes para llevar de nuevo a disolución
los SO_{4}. Los sistemas de carga actuales ya no tendrán que
suministrar grandes corrientes y en consecuencia puede reducirse su
tamaño. Por tanto, es posible, por ejemplo, que en lugar de un
alternador de 130 A, baste con un alternador de 30 A.
Esta reducción de tamaño y aumento de densidad
de energía serán útiles en la industria automovilística. Además,
independientemente de la temperatura, el usuario disfrutará en todo
momento de amperios para arranque totalmente en frío. Es sencillo
usar AGT para proporcionar potencia eléctrica a partir de dicho
dispositivo 10 de almacenamiento de energía a un vehículo a motor;
y recibir potencia eléctrica en dicho dispositivo 10 de
almacenamiento de energía a partir de dicho vehículo a motor.
También se observarán beneficios en la industria
"híbrida"; la disminución del tiempo de carga y el aumento de
la eficacia hará indudablemente más atractiva la utilización de
automóviles, trenes, autobuses, y barcos eléctricos. En esta
situación, AGT puede usarse para alimentar una carga usando energía
híbrida a partir de una fuente suplementaria de energía además de
la energía a partir de dicho dispositivo 10 de almacenamiento de
energía, en proporciones variables sensibles a condiciones de
funcionamiento variables.
El "sistema de batería doméstico" es una
gran idea; desafortunadamente, es un juguete para ricos. Si se
pierde potencia simplemente se debe cambiar a capacidad de reserva
para mantener su casa funcionando. Si pierde potencia cuando su
paquete de baterías ha tenido tiempo de cargarse totalmente, lo que
lleva aproximadamente de 5 a 7 horas, funciona bien. La parte más
cara de este sistema es el equipo usado para aumentar la potencia
suministrada por la rejilla. La ventaja de poder cargar el paquete
de baterías a las tensiones suministradas por la rejilla es obvia.
La tecnología de rejilla activa aportará a este mercado el empuje
que ha estado buscando. En lugar de esperar interrupciones de
potencia, puede de manera continua cambiar entre suministros de
potencia. Si la rejilla de potencia está sobrecargada y es cara,
puede simplemente cambiarse a potencia de batería sin preocuparse
por el tiempo de recarga, puesto que llevará mucho menos tiempo con
AGT. Actualmente, una limitación importante de los sistemas de
generación y distribución de potencia es que debe generarse potencia
en tiempo real, transmitirse a través de la rejilla, y a
continuación usarse. La capacidad de almacenar grandes cantidades
de potencia posibilitada por AGT cambia la situación drásticamente,
en gran medida potenciando la capacidad de la rejilla de potencia
de evitar fallos de corriente, y proporcionar potencia de emergencia
siempre que sea necesario. En esta situación, que tiene
implicaciones de energía mundiales, puede usarse AGT para recibir
potencia eléctrica en dicho dispositivo 10 de almacenamiento de
energía a partir de un sistema de generación y distribución de
potencia; suministrar potencia eléctrica a partir de dicho
dispositivo 10 de almacenamiento de energía a dicho sistema de
generación y distribución de potencia; y equilibrar la carga de
dicha recepción y suministro de potencia eléctrica a partir de y a
dicho sistema de generación y distribución de potencia, en respuesta
a condiciones de funcionamiento variables.
Las baterías de AGT son más compactas, duran
más, se cargan más rápido y requieren aproximadamente tanta potencia
para recargar como se gastó debido a su aumento de eficacia y su
eliminación de muchas fuentes de pérdida de energía. Las
vibraciones de los elementos de rejilla activa son de amplitud muy
pequeña; apenas son perceptibles para el usuario. Esta superficie
de vibración no provoca interferencia con las placas adyacentes
debido a que el desplazamiento real desde la línea central de la
rejilla es del orden de micrones. Las vibraciones son de suficiente
amplitud y frecuencia para desplazar los SO_{4} excitados en
disolución. Se rompen los enlaces de los PbSO_{4} restantes y los
SO_{4} vuelven al electrólito, y la velocidad de la reacción se
potencia en gran medida.
La figura 9 es una vista en despiece ordenado de
un elemento de electrodo de rejilla activa. A la izquierda hay un
elemento de rejilla de electrodo completamente descargado. A la
derecha está ese mismo elemento durante la carga con una actuación
aplicada a la rejilla activa. La matriz 51 no se muestra y los
sustratos de película de PZT, dentro de la hoja de PZT, se muestran
como elementos discretos para mayor claridad. Obsérvese la nube 71
de PbSO_{4} densa, enlazada de manera iónica a la izquierda y la
nube 81 de SO_{4} expandida, más dispersa a la derecha que
incluye SO_{4} no enlazado que se ha excitado de nuevo en el
electrólito.
La señal de actuación está diseñada
específicamente para excitar los enlaces no deseados; está diseñada
para maximizar la velocidad a la que se desplazan los productos de
reacción química, por ejemplo, SO_{4}. Esto se aplica a los
actuadores externamente por el módulo 101 de control montado
directamente sobre la batería tal como se muestra en la figura 10,
o posiblemente dentro de la batería (no mostrada). Los propios
elementos activos pueden estar fabricados de cualquier tipo de
material 31 activo o equivalente. La amplificación de señal
requerida para tecnología de rejilla activa no requiere un sistema
de control elaborado. Durante el proceso de descarga y carga una
forma de onda generada dentro del módulo de control se aplica a los
conjuntos de rejilla 5 activa. Este módulo de control,
preferiblemente, se alimenta por la batería durante la descarga y
por el sistema de carga durante la carga.
Las rejillas de Pb y PbO_{2} son muy
flexibles. Mientras que los elementos de rejilla en algunos tipos de
baterías son más duros, mejorar la rigidez de rejillas más
flexibles es el objetivo que más se investiga. Por esto se usan
retículas de rejilla con separadores que ayudan a soportar los
electrodos flexibles. Una alternativa mejor para retículas de
rejilla es el uso de una hoja de PZT. En la realización de la figura
3 y 5, los actuadores están dentro de estas hojas. Hay un sustrato
de película de vibración activa allí donde la matriz 51 esté
presente. El material usado para la hoja es bastante rígido y no
forma parte de ninguna reacción. La figura 10 es un dibujo que
ilustra la propia batería con el material 31 activo. El electrólito
y los separadores no se muestran explícitamente, pero estarían en
zonas tales como las designadas mediante 102. Tal como se señaló
anteriormente, el aspecto y las dimensiones físicas relativas de la
batería permanecen inalteradas. Tal como se mencionó anteriormente,
las dimensiones de batería absolutas necesarias para obtener un
resultado de energía dado se reducen. Los bornes 103 de batería
pueden también comprender el material 31 activo.
La tecnología de rejilla activa es la batería de
próxima generación. El uso de una pasta de PbO para convertir
energía química en energía eléctrica no es nuevo, sino la idea de
que esta pasta puede doparse con algunas sustancias, como zirconato
y titanato, y a continuación hacerse que oscile mecánicamente para
conseguir esta tecnología a través de la matriz 51 es novedoso e
inventivo. Ésta es una batería que nunca descansa. Las placas
funcionan de manera continua para mantener los iones de SO_{4} en
confusión constante. Si estos iones tratan de depositarse, son
expulsados por la siguiente vibración. Puesto que la atracción
química es más fuerte que la energía mecánica, no se impide la
transferencia de electrones. En lugar de pintar la matriz 51 con
cadenas de SO_{4}, los SO_{4} forman una nube a una distancia
segura de los puntos de formación. Cuando una polaridad inversa se
aplica para recargar la batería, la nube se disipa en el
electrólito, y la batería se carga completamente de manera mucho más
rápida.
¿Consumirá esta tecnología la potencia
almacenada en la batería manteniendo las placas vibrando? Buena
pregunta. Los científicos entienden que pueden conseguirse grandes
fuerzas con sólo una pequeña cantidad de potencia. Esto es lo que
hace a este tipo de material 31 activo tan atractivo. La cantidad de
potencia usada para hacer vibrar las placas a este nivel
microscópico es del orden del 1-3% de la capacidad
de la batería. De hecho, durante pruebas experimentales de AGT, se
demostró que la energía promedio usada para provocar vibración fue
aproximadamente del 1% de la capacidad de la célula. No es mucho
para abandonar la ganancia de los beneficios asociados con AGT.
La batería de plomo-ácido tiene resistencia en
la industria. Las nuevas baterías, tales como Ni-Cd,
litio, y Ni-Mh, tienen varias ventajas, pero
también tienen desventajas similares a las comentadas anteriormente.
Con AGT sus desventajas pueden eliminarse. Independientemente del
tipo de batería esta tecnología se aplica a, se conseguirán los
siguientes beneficios: esta tecnología eliminará la sulfatación (y
efectos análogos en otras baterías), eliminación de carga, memoria,
formación de gases, envejecimiento y congelación; reducirá el
tiempo de carga de una batería de plomo-ácido de horas a minutos,
reducirá la estratificación, permitirá a una batería que va a
cargarse con tensión comparable a su tensión de funcionamiento,
devolverá la batería a un estado como nueva en cada carga y
aumentará la vida de la batería; reduce la cantidad de calor
producido durante la carga y reduce la cantidad de deformación
dentro de la célula; aumenta el tiempo que puede funcionar la
batería en carga y las capacidades portadoras de carga de la
batería. Todas estas cosas pueden conseguirse sin alterar las
dimensiones físicas de la batería, y de hecho, pueden conseguirse
con un espacio más pequeño.
De hecho, si se seleccionan las frecuencias de
manera correcta entonces el único enlace que tendrá que romperse
durante la carga es el enlace iónico entre el ión SO_{4} y la
matriz 51. Configurando la célula para aceptar carga todos los
cargadores actuales en el mercado funcionarán de manera mucho más
eficaz. Actualmente, se emplean cargadores robustos para saturar la
energía en la célula sin la capacidad de afectar a la célula y
hacerla más compatible con el cargador.
AGT cambiará el modo de pensar en una batería.
Ya se dispone de teléfonos, tarjetas, misiles, esquís, y raquetas
"inteligentes", ahora dispondremos de una "batería
inteligente". Cuando los esfuerzos de los fabricantes de
baterías se dirijan a esta nueva tecnología, muchas más
posibilidades serán evidentes. AGT no va dirigido a encontrar
mejores productos químicos con los que fabricar baterías; va
dirigido a mejorar lo que ya se tiene. En una realización
alternativa, puede usarse un campo magnético para controlar pequeñas
piezas de hierro dentro del electrólito de batería de modo que
cuando se excite formen el material 31 activo usado para limpiar las
placas. Tal como se señaló anteriormente, puede doparse
químicamente la pasta de electrodo para que cuando se aplique una
carga la propia pasta vibre para que los enlaces no deseados se
deshagan por agitación. Los materiales 31 activos pueden
suspenderse en el electrólito o los conectores 102. Pueden
comprender parte de la pieza 105 colada 105. La corriente usada
para actuar sobre los materiales 31 activos pueden introducirse en
modos convencionales (por ejemplo, a través del potencial de la
batería) o en modos no convencionales tal como mediante técnicas
104 de inducción magnética tal como las expuestas en la patente
estadounidense 6.040.680. Todas estas posibilidades y muchas otras
se insinuarán a su vez una vez que los expertos en baterías cambien
su punto de vista. En el futuro, hacer referencia a una sustancia
activa dentro de una batería requerirá además clarificación. ¿Es
químicamente activa, o es mecánicamente "activa"?
¿Por qué no se ha desarrollado hasta ahora AGT?
En primer lugar y más importante, los expertos de baterías han
estado mejorando la tecnología de las baterías de plomo-ácido
durante años. Si daban con un proceso que provocaba movimiento
dentro de una batería, inmediatamente lo eliminaban. La práctica de
mover placas dentro de una célula de batería no era algo que se
considerase deseable. Cuando llegó el empuje a una tecnología de
batería de mayor eficiencia energética, todo el mundo pensó en
nuevos reactivos químicos como el camino a seguir, tecnológicas
nuevas y excitantes que estarán en boga durante mucho tiempo. A los
fabricantes que continuaron en la tecnología de plomo-ácido se les
ocurrieron las baterías de célula-gel, de
plomo-ácido avanzada y de plomo-ácido regulada por válvula
(VRLA).
La ciencia de materiales es un campo muy nuevo y
excitante. Las ganancias posibles asociadas con esta ciencia son
infinitas. Laboratorios inteligentes de todo el mundo están
aplicando esta ciencia para cualquier cosa. Han convertido casas en
auditorios haciendo de sus ventanas altavoces, han desarrollado un
material cerámico que se lubrica a sí mismo, han fabricado rotores
de helicópteros que se doblan de manera controlada, han fabricado
un aceite lubricante que cambia su viscosidad con una señal de
control de campo magnético, y han fabricado alas de aviones que
cambian su forma cuando se aplica una corriente. Las aplicaciones de
esta ciencia son infinitas. AGT es la siguiente etapa lógica en
aplicar esta ciencia a la batería.
PZT se eligió para ilustrar AGT debido a que es
cómodo y está disponible fácilmente en la actualidad. Está
funcionando en todo el mundo, y en el espacio. La principal
limitación encontrada en el uso de este material es la incapacidad
del usuario para controlarlo. Este material es susceptible de no dar
una respuesta lineal si se usa en grandes intervalos de señales de
entrada. En otras palabras, si se aplica una señal de entrada
eléctrica de onda cuadrada no se obtendrá necesariamente una
respuesta de onda cuadrada. Los científicos y los ingenieros están
buscando desesperadamente métodos para modelizar de manera precisa,
y por tanto controlar, este tipo de material. El empuje principal
en esta ciencia está en el desarrollo de un material que tenga
tanto un gran desplazamiento y que pueda controlarse de manera
precisa a través de este desplazamiento. Mientras que está
progresándose mucho en esta área, AGT no requiere un gran
desplazamiento, ni requiere sistemas de control elaborados; AGT usa
este material en el modo que quiere usarse, únicamente lo vibra.
AGT mueve intencionadamente las partes internas
de una batería desde dentro de la propia batería. AGT no distingue
entre baterías. Cualquier batería que usa reactivos químicos puede
beneficiarse de AGT. Cualquier batería que requiera energía externa
para accionar la reacción química en el sentido opuesto puede
beneficiarse de AGT. Esta tecnología puede aplicarse a todos los
tipos de baterías, tal como se elaboraba anteriormente. Tal como se
expuso anteriormente, AGT es un sistema de mantenimiento preventivo.
Detiene la concentración de acumulación de productos de reacción
química, por ejemplo, SO_{4} en una zona en la que no se quiere,
en contraposición a tratar de eliminarlos una vez que están
allí.
Los fabricantes de baterías todavía tienen la
posibilidad de qué tecnología de batería seguir. Avances recientes
en baterías de níquel-cadmio; de hidruro metálico de
de níquel, ión litio, polímero-litio y
sodio-azufre de alta temperatura son prometedores.
Desafortunadamente, estas tecnologías de batería sufrirán cada vez
más. Si se considera el hecho de que las baterías de plomo-ácido
existen desde hace 100 años, y todavía están mejorándose, a estas
nuevas tecnologías les queda mucho tiempo. AGT puede mejorarlas a
todas, las viejas y las nuevas.
Aunque la mayor parte de la ilustración del
presente documento se basa en una batería, los dispositivos y el
método dados a conocer en el presente documento pueden aplicarse a
una amplia gama de tecnologías energéticas, incluyendo células de
energía solar.
En una realización preferida, las excitaciones
mecánicas introducidas en el dispositivo 10 de almacenamiento de
energía a través del material 31 activo son oscilaciones periódicas,
es decir, vibraciones a una frecuencia de oscilación periódica tal
como una onda sinusoidal que oscila en un dominio superior a 2n.
Esto va a distinguirse de un único pulso de tiempo agudo, de subida
seguido de un periodo inactivo muy superior al tiempo de subida,
tal como se emplea en muchas de las patentes de la técnica anterior
comentadas en los antecedentes de la invención. Se prefiere menos,
aunque se acepta, pulsar mecánicamente los productos de reacción
química con un pulso de un tiempo de subida predeterminado.
Debe entenderse que alguien puede desear
suplementar las excitaciones mecánicas dadas a conocer en el
presente documento y los diversos métodos de conseguirlos, con más
tipos convencionales de estimulación eléctrica tal como pero sin
limitarse a los tipos de estimulación eléctrica dados a conocer en
la técnica anterior. Por ejemplo, pueden llevarse a cabo las etapas
de excitación eléctrica, además de dicha excitación mecánica, los
productos de reacción química dentro del dispositivo 10 de
almacenamiento de energía en dichos niveles de energía próximos a
los cuales enlaces covalentes con la matriz 51 del dispositivo 10 de
almacenamiento de energía formarían ausencia de excitación, de este
modo manteniendo sustancialmente además el enlace iónico entre los
productos de reacción química y además evitando que los productos de
reacción química formen sustancialmente enlaces covalentes con la
matriz 51; e introducir las excitaciones eléctricas en el
dispositivo 10 de almacenamiento de energía a través de una
corriente eléctrica que comprende componentes no de CC, además de
dicha señal electromagnética. En una realización preferida de este
enfoque, una corriente de CA ondulada de pequeña amplitud, se usa
para suplementar las excitaciones mecánicas, evitar adicionalmente
que los productos de reacción química se depositen en enlaces
covalentes con la matriz 51.
Podrían también llevarse a cabo las etapas de
excitar eléctricamente, además de excitar mecánicamente, los
productos de reacción química dentro del dispositivo 10 de
almacenamiento de energía a niveles de energía adecuados para
sustancialmente romper los enlaces iónicos entre los productos de
reacción química y la matriz 51 y dando lugar a que los productos
de reacción química vuelvan sustancialmente a un electrólito del
dispositivo 10 de almacenamiento de energía, de este modo rompiendo
sustancialmente los enlaces iónicos entre los productos de reacción
química y la matriz 51 y dando lugar a que los productos de reacción
química sustancialmente vuelvan a un electrólito del dispositivo 10
de almacenamiento de energía; e introducir las excitaciones
eléctricas en el dispositivo 10 de almacenamiento de energía a
través de una corriente eléctrica que comprende componentes no de
CC, además de dicha señal electromagnética. Esto es particularmente
práctico durante el ciclo de carga, en el que una corriente ya se
ha bombeado en el dispositivo 10 de almacenamiento de energía con el
fin de recargarlo. Así, por ejemplo, superponiendo una pequeña
ondulación de CA en la corriente de carga, se proporciona ímpetu
adicional para romper los enlaces iónicos con la matriz 51 y llevar
los productos de reacción química de nuevo al electrólito. Debido a
que los productos de reacción química están ya en un estado excitado
debido al estado de las excitaciones mecánicas y no se ha permitido
formar enlaces covalentes con la matriz 51, la energía requerida
para esta pequeña ondulación de CA es mucho menor que la energía que
se requeriría para romper los enlaces covalentes si se hubiera
permitido que se formaran en primer lugar. Por tanto, el estímulo
eléctrico no necesita ser tan fuerte y los efectos adversos
comentados anteriormente se evitan más fácilmente.
Por tanto, la estimulación eléctrica
suplementaria puede mezclarse y ajustarse con la estimulación
mecánica en diversas combinaciones. La estimulación mecánica puede
usarse para evitar enlaces covalentes en primer lugar durante la
descarga, y la estimulación eléctrica, que requiere mucha menos
energía, puede emplearse para llevar los productos de reacción
química de nuevo al electrólito durante la carga. Más en general, la
etapa de introducir dichas excitaciones mecánicas puede además
comprender introducir dichas excitaciones mecánicas durante al
menos parte de un tiempo mientras el dispositivo 10 de
almacenamiento de energía se carga; y la etapa de introducir las
excitaciones eléctricas puede además comprender introducir dichos
componentes no de CC durante al menos parte de un tiempo mientras
el dispositivo 10 de almacenamiento de energía se descarga. O,
viceversa, la etapa de introducir dichas excitaciones mecánicas
puede además comprender introducir dichas excitaciones mecánicas
durante al menos parte de un tiempo mientras el dispositivo 10 de
almacenamiento de energía se descarga; y dicha etapa de introducir
las excitaciones eléctricas puede además comprender introducir
dichos componentes no de CC durante al menos parte de un tiempo
mientras el dispositivo 10 de almacenamiento de energía se
carga.
El método y los dispositivos asociados dados a
conocer en el presente documento, de productos de reacción química
de excitación mecánica dentro del dispositivo 10 de almacenamiento
de energía a niveles de energía próximos a los cuales enlaces
covalentes con una matriz 51 del dispositivo 10 de almacenamiento de
energía formarían ausencia de excitación, de este modo
sustancialmente manteniendo enlace iónico entre los productos de
reacción química y la matriz 51 y evitando sustancialmente que los
productos de reacción química se enlacen de manera covalente con la
matriz 51; e introducir las excitaciones mecánicas en el dispositivo
10 de almacenamiento de energía a través de un material 31 activo
mecánicamente sensible a señales electromagnéticas, en respuesta a
una señal electromagnética; por lo que: se evita sustancialmente la
degradación evitando sustancialmente que se formen los enlaces
covalentes y excitando el dispositivo 10 de almacenamiento de
energía mecánicamente en lugar de a través de excitación eléctrica
de degradación; y se mejora el rendimiento energético requiriendo
menores cantidades de energía para excitar los productos de reacción
química a través de dicho material 31 activo de las que se
requerirían para excitar de manera similar los productos de reacción
química sin dicho material 31 activo, y evitando sustancialmente
que se formen los enlaces covalentes y den lugar a degradación, es
claramente novedoso y no obvio respecto a toda la técnica anterior
comentada en los antecedentes de la invención.
De modo que también, el método y dispositivos
asociados dados da conocer en el presente documento, de excitar
mecánicamente un dispositivo 10 de almacenamiento de energía a
frecuencias próximas a frecuencias resonantes a las que enlaces
covalentes entre productos de reacción química dentro de y una
matriz 51 del dispositivo 10 de almacenamiento de energía formarían
ausencia de excitación; e introducir las excitaciones mecánicas en
el dispositivo 10 de almacenamiento de energía a través de un
material 31 activo mecánicamente sensible a señales
electromagnéticas, en respuesta a una señal electromagnética, es
claramente novedoso y no obvio respecto a la técnica anterior
comentada en los antecedentes de la invención. A continuación vamos
examinar algunos de los beneficios de los dispositivos y métodos
dados a conocer en el presente documento, en relación a la técnica
anterior.
Las excitaciones mecánicas tal como se dan a
conocer en el presente documento, son claramente preferibles a las
excitaciones eléctricas, porque como se ha señalado anteriormente,
las excitaciones eléctricas degradan el dispositivo 10 de
almacenamiento de energía atacando los elementos estructurales de
ese dispositivo, y porque se requiere una cantidad de energía
considerable para crear excitaciones eléctricas lo bastante fuertes
para eliminar sulfatos y depósitos similares una vez que ya se han
enlazado a la matriz 51. Si se usa más energía para evitar los
efectos similares a la sulfatación de la que se ahorra evitando
estos efectos en primer lugar, el resultado neto es una pérdida de
energía y esto es parte del problema con mucha de la técnica
anterior que emplea estimulación eléctrica. Si se usan pulsos
agudos en lugar de suaves, se usan oscilaciones periódicas tal como
se da a conocer en la técnica anterior, este efecto martillo es muy
perjudicial para la estructura del dispositivo 10 de almacenamiento
de energía. Si se emplean niveles de energía por debajo de las
energías de enlace covalente, los resultados son simplemente menos
efectivos. Si el objetivo es a posteriori de la eliminación
de sulfatos, tal como en la técnica anterior, entonces la mayor
parte del daño ya está hecho, y la energía necesaria para deshacer
el daño, así como el daño provocado por la propia eliminación,
aumenta rápidamente. Como sucede con muchas otras cosas, evitar que
los productos de reacción química se enlacen de manera covalente
con la matriz 51 se prefiere mucho más a eliminar los productos de
reacción química una vez que se han enlazado.
Las consideraciones que subyacen en la técnica
anterior cuando se usa estimulación eléctrica no se transfieren de
manera obvia a situaciones en las que se aplica estimulación
mecánica. Es decir, no puede decirse simplemente: tomemos lo que se
hace eléctricamente, y copiémoslo mecánicamente en su lugar. La
técnica anterior a su vez deja esto claro. Mientras que la
velocidad de una onda electromagnética o una corriente oscilatoria
pueden considerarse como "instantáneas" con respecto a la
estructura física y a las dimensiones del dispositivo 10 de
almacenamiento de energía, la velocidad de una vibración mecánica,
que es efectivamente una onda sonora si bien es cierto en
frecuencia ultrasónica, es mucho más lenta. La velocidad de la
vibración mecánica es, por supuesto, la velocidad del sonido a
través del medio de transmisión. Como resultado, las dinámicas de
propagación son, y se perciben mediante la técnica anterior como,
bastante diferentes que en el caso eléctrico. Esto es lo que ha
llevado a la técnica anterior basada mecánicamente a enseñar que la
elección de la frecuencia debería determinarse mediante las
características estructurales físicas del dispositivo 10 de
almacenamiento de energía, variando la frecuencia de excitación
inversamente respecto a las dimensiones físicas. Este enfoque
desaconseja directamente excitar mecánicamente productos de reacción
química dentro del dispositivo 10 de almacenamiento de energía a
niveles de energía próximos a los cuales enlaces covalentes con una
matriz 51 del dispositivo 10 de almacenamiento de energía formarían
ausencia de excitación, tal como se da a conocer y se reivindica en
el presente documento, independientemente de las características
físicas del dispositivo 10 de almacenamiento de energía.
De manera adicional, con los enfoques
eléctricos, uno no debería inclinarse a tomar la potencia de CC del
dispositivo 10 de almacenamiento de energía mientras que está
descargándose, convertirla en CA de alta frecuencia, y a
continuación bombearla en el dispositivo 10 de almacenamiento de
energía para impedir que los productos de reacción química formen
enlaces covalentes con la matriz 51. Simplemente se requiere
demasiada energía para esto. Por otro lado, una pequeña cantidad
del dispositivo 10 de almacenamiento de energía podría usarse para
hacer vibrar un material 31 activo, con una efectividad muy superior
y un uso de energía mucho menor. Por tanto, se vuelve muy práctico
con enfoques mecánicos tratar los efectos de tipo sulfatación
durante el ciclo de descarga, en lugar de esperar el ciclo de carga
cuando se dispone de un cargador para bombear en pulsos de energía
altos para desplazar depósitos. Y, debido a que es más factible con
enfoques mecánicos agitar los productos químicos durante la
descarga además del ciclo de carga, se previene en lugar de
remediarse, y se sustituye "demoler" los depósitos por hacer
que se desprendan los depósitos con cuidado, sin efectos adversos
en el dispositivo 10 de almacenamiento de energía. El contraste
entre lo que es factible con estimulación eléctrica y lo que es
factible con estimulación mecánica es análogo a eliminar hielo de
una superficie helada a 0ºF con un picahielo que daña asimismo la
superficie y requiere gran cantidad de energía, o manteniendo el
cambio de fase cercana próximo a 32ºF y a continuación barrer la
nieve medio derretida suelta con un cepillo que fácilmente limpia
la superficie sin dañarla. De modo que, una vez que se selecciona un
enfoque mecánico, debe enfocarse el proceso global de manera
diferente, y lo que se conoce de los enfoques eléctricos simplemente
no se transfiere de manera obvia a enfoques mecánicos.
Usando excitación mecánica, la presente
descripción enseña cómo seleccionar la frecuencia o frecuencias de
excitación mecánica óptimas, con el fin de optimizar la eficiencia
energética del dispositivo 10 de almacenamiento de energía y evitar
la degradación. Es decir, la cuestión principal es: para la
estimulación mecánica de dispositivos de almacenamiento de energía,
¿qué frecuencias deben usarse, y con qué base se seleccionan estas
frecuencias? La técnica anterior enseña que las frecuencias de
estimulación mecánica van a seleccionarse con referencia a las
características físicas del dispositivo 10 de almacenamiento de
energía, incluyendo el tamaño de los elementos de electrodo, lo que
conduce a frecuencias sub-MHz en la mayoría de los
casos excepto para electrodos o elementos de electrodo muy
pequeños. Esta descripción, de gran contraste, enseña que las
propiedades físicas de las baterías no importan y que la selección
de frecuencias mecánicas no varía con respecto a las características
físicas del dispositivo 10 de almacenamiento de energía. En su
lugar, las frecuencias van a elegirse con referencia a los niveles
de energía próximos a los cuales enlaces covalentes con una matriz
51 del dispositivo 10 de almacenamiento de energía formarían
ausencia de excitación.
A partir de esto, pueden deducirse muchas
consecuencias adicionales. En primer lugar, esta descripción enseña
cómo mejorar el rendimiento del dispositivo 10 de almacenamiento de
energía no sólo para un único tipo de dispositivo 10 de
almacenamiento de energía, sino para todos los tipos de dispositivo
10 de almacenamiento de energía de química a energía. Esto se debe
a que el punto de partida clave en todos los casos, son las
energías de los enlaces covalentes. No existe frecuencia
"correcta", debido a que diferentes tipos de dispositivo 10 de
almacenamiento de energía presentarán enlace covalente no deseado a
energías diferentes que se basan en la naturaleza química de sus
constituyentes, no las características dimensionales, físicas tal
como se enseña en la técnica anterior. Basándose en esto, la
fórmula para elegir las frecuencias en cualquier situación dada es
clara, incluso para dispositivos de almacenamiento de energía
química a eléctrica que no se conocen a día de hoy, o para
dispositivos de almacenamiento de energía que emplean materiales de
electrodo y electrolito que no se conocen a día de hoy.
En segundo lugar, esta descripción enseña que el
objetivo es doble: durante la descarga, mantener enlaces iónicos
entre los productos de reacción química y la matriz 51, debido a que
éstos son necesarios para producir energía, y durante la carga,
para romper los enlaces iónicos y llevar el producto de reacción
química de nuevo al electrólito de este modo devolviendo el
dispositivo 10 de almacenamiento de energía a un estado "como
nuevo". Aquí también, una vez que se ha planteado esta fórmula,
la selección de frecuencias sigue desde una comprensión de los
constituyentes químicos y sus diversas energías de enlace iónico y
covalente. Durante la descarga, las frecuencias se eligen para
evitar que los enlaces covalentes se formen en los diversos niveles
de energía en los que tenderían a formarse de otro modo. Durante la
carga, preferiblemente, las frecuencias además se aumentan para
romper los enlaces iónicos y llevar los productos de reacción
química de nuevo al electrólito. Además de romper los enlaces
iónicos, la mera vibración física a su vez también agita todo el
dispositivo de almacenamiento de energía de modo que los productos
de reacción química vuelven a mezclarse en el electrólito y
devuelven el dispositivo a su estado "como nuevo".
Como consecuencia de todo lo anterior, se evita
sustancialmente la degradación evitando sustancialmente que se
formen los enlaces covalentes y excitando el dispositivo 10 de
almacenamiento de energía mecánicamente en lugar de a través de la
excitación eléctrica de degradación; y se mejora el rendimiento
energético requiriendo menores cantidades de energía para excitar
los productos de reacción química a través de dicho material 31
activo que se requerirían para excitar de manera similar los
productos de reacción química sin dicho material 31 activo, y
evitando sustancialmente que se formen los enlaces covalentes y dar
lugar a degradación.
Una vez que este tipo de enfoque se conoce,
entonces los enfoques de estímulo eléctrico adoptan una nueva luz,
y pueden usarse en "dosis" más pequeñas para suplementar los
enfoques mecánicos dados a conocer aquí sin dañar la estructura del
dispositivo 10 de almacenamiento de energía, tal como se comentó
anteriormente en esta descripción.
Mientras que sólo algunas características
preferidas de la invención se han ilustrado y descrito, muchas
modificaciones, cambios y sustituciones se les ocurrirán a los
expertos en la técnica. Por tanto, debe entenderse que las
reivindicaciones adjuntas están previstas para cubrir todas las
modificaciones y cambios que estén dentro del alcance de la
invención.
Claims (48)
-
\global\parskip0.950000\baselineskip
1. Método para mejorar el rendimiento energético y evitar sustancialmente la degradación de un proceso de conversión de energía química en eléctrica de un dispositivo (10) de almacenamiento de energía, que comprende las etapas de:- excitar mecánicamente un dispositivo (10) de almacenamiento de energía a frecuencias próximas a frecuencias resonantes a las cuales enlaces covalentes químicos entre productos de reacción química y una matriz (51), es decir, material de electrodo del dispositivo (10) de almacenamiento de energía formarían ausencia de excitación; e introducir las excitaciones mecánicas en el dispositivo (10) de almacenamiento de energía a través de un material (31) activo mecánicamente sensible a señales electromagnéticas, en respuesta a una señal electromagnética.
\vskip1.000000\baselineskip
- 2. Método según la reivindicación 1:
- comprendiendo la matriz (51) plomo (Pb);
- comprendiendo los productos de reacción química sulfato (SO_{4}); y
- comprendiendo los enlaces covalentes enlaces covalentes de sulfato de plomo (PbSO_{4}).
\vskip1.000000\baselineskip
- 3. Método según la reivindicación 2, comprendiendo además dicha etapa de excitar mecánicamente:
- excitar mecánicamente los productos de reacción química a frecuencias que comprenden aproximadamente 3,26 MHz.
\vskip1.000000\baselineskip
- 4. Método según la reivindicación 3, comprendiendo además dicha etapa de excitar mecánicamente:
- excitar mecánicamente los productos de reacción química a al menos una frecuencia superior a aproximadamente 3,26 MHz.
\vskip1.000000\baselineskip
- 5. Método según la reivindicación 1, comprendiendo además dicha etapa de introducir dichas excitaciones mecánicas:
- introducir dichas excitaciones mecánicas durante al menos parte de un tiempo mientras el dispositivo (10) de almacenamiento de energía se descarga.
\vskip1.000000\baselineskip
- 6. Método según la reivindicación 1, comprendiendo además dicha etapa de introducir dichas excitaciones mecánicas:
- introducir dichas excitaciones mecánicas durante al menos parte de un tiempo mientras el dispositivo (10) de almacenamiento de energía se carga.
\vskip1.000000\baselineskip
- 7. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:
- barrer dichas excitaciones mecánicas a través de una pluralidad de dichas frecuencias próximas a dichas frecuencias resonantes.
\vskip1.000000\baselineskip
- 8. Método según la reivindicación 1:
- comprendiendo dicho material (31) activo titanato-zirconato de plomo (PZT).
\vskip1.000000\baselineskip
- 9. Método según la reivindicación 1:
- comprendiendo dicho material (31) activo zirconato de plomo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 10. Método según la reivindicación 1:
- comprendiendo dicho material (31) activo titanato de plomo.
\global\parskip1.000000\baselineskip
- 11. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:
- proporcionar dicho material (31) activo sustancialmente contenido dentro de al menos un electrodo que comprende dicha matriz (51).
\vskip1.000000\baselineskip
- 12. Método según la reivindicación 1; que comprende además la etapa de:
- dopar al menos un electrodo de dicha matriz (51) con un material dopante que comprende dicho material (31) activo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 13. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:
- proporcionar dicho material (31) activo en conexión mecánica con al menos un electrodo de dicha matriz (51).
\vskip1.000000\baselineskip
- 14. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:
- proporcionar un electrólito del dispositivo (10) de almacenamiento de energía que comprende dicho material (31) activo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 15. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:
- proporcionar un separador del dispositivo (10) de almacenamiento de energía que comprende dicho material (31) activo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 16. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:
- proporcionar una pieza colada del dispositivo (10) de almacenamiento de energía que comprende dicho material (331) activo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 17. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:
- proporcionar dicho material (31) activo externo a y en conexión mecánica con el dispositivo (10) de almacenamiento de energía.
\vskip1.000000\baselineskip
- 18. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:
- proporcionar dicho material (31) activo en conexión mecánica con al menos un terminal del dispositivo (10) de almacenamiento de energía.
\vskip1.000000\baselineskip
- 19. Método según la reivindicación 1:
- comprendiendo dicho material (31) activo material magnetosensible sensible a campos magnéticos; y comprendiendo dicha señal electromagnética un campo magnético; comprendiendo además dicha etapa de introducir dichas excitaciones mecánicas:
- introducir dichas excitaciones mecánicas a través de dicho material magnetosensible, en respuesta a dicho campo magnético.
\vskip1.000000\baselineskip
- 20. Método según la reivindicación 1, que comprende además las etapas de:
- excitar eléctricamente, además de dicha excitación mecánica, el dispositivo (10) de almacenamiento de energía a frecuencias próximas a dichas frecuencias resonantes; e introducir las excitaciones eléctricas en el dispositivo (10) de almacenamiento de energía a través de una corriente eléctrica que comprende componentes no de CC, además de dicha señal electromagnética.
\newpage
- 21. Método según la reivindicación 1, que comprende además las etapas de:
- excitar eléctricamente, además de dicha excitación mecánica, el dispositivo (10) de almacenamiento de energía, a al menos una frecuencia superior a dichas frecuencias resonantes; e introducir las excitaciones eléctricas en el dispositivo (10) de almacenamiento de energía a través de una corriente eléctrica que comprende componentes no de CC, además de dicha señal electromagnética.
\vskip1.000000\baselineskip
- 22. Método según la reivindicación 1, que comprende además las etapas de:
- proporcionar potencia eléctrica a partir de dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía a un vehículo a motor; y recibir potencia eléctrica en dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía a partir de dicho vehículo a motor.
\vskip1.000000\baselineskip
- 23. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:
- alimentar una carga usando energía híbrida a partir de una fuente suplementaria de energía además de energía a partir de dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía, en proporciones variables sensibles a condiciones de funcionamiento variables.
\vskip1.000000\baselineskip
- 24. Método según la reivindicación 1, que comprende además las etapas de:
- recibir potencia eléctrica en dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía a partir de un sistema de generación y distribución de potencia;
- suministrar potencia eléctrica a partir de dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía a dicho sistema de generación y distribución de potencia; y equilibrar la carga de dicha recepción y suministro de potencia eléctrica a partir de y a dicho sistema de generación y distribución de potencia, en respuesta a condiciones de funcionamiento variables.
\vskip1.000000\baselineskip
- 25. Dispositivo (10) de almacenamiento de energía que mejora sustancialmente el rendimiento energético y evita la degradación de su proceso de conversión de energía química en eléctrica, que comprende:
- un material (31) activo mecánicamente sensible a señales electromagnéticas para introducir excitaciones mecánicas en el dispositivo (10) de almacenamiento de energía en respuesta a una señal electromagnética, a frecuencias próximas a frecuencias resonantes a las cuales enlaces covalentes químicos entre productos de reacción química y una matriz (51), es decir, material de electrodo del dispositivo (10) de almacenamiento de energía formarían ausencia de excitación.
\vskip1.000000\baselineskip
- 26. Dispositivo según la reivindicación 25:
- comprendiendo la matriz (51) plomo (Pb);
- comprendiendo los productos de reacción química sulfato (SO_{4}); y
- comprendiendo los enlaces covalentes enlaces covalentes de sulfato de plomo (PbSO4).
\vskip1.000000\baselineskip
- 27. Dispositivo según la reivindicación 26, comprendiendo dichas excitaciones mecánicas una frecuencia de aproximadamente 3,26 MHz.
\vskip1.000000\baselineskip
- 28. Dispositivo según la reivindicación 27, comprendiendo además dichas excitaciones mecánicas al menos una frecuencia superior a aproximadamente 3,26 MHz.
\vskip1.000000\baselineskip
- 29. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- un módulo de control que provoca que dichas excitaciones mecánicas se introduzcan durante al menos parte de un tiempo mientras el dispositivo (10) de almacenamiento de energía se descarga.
\newpage
- 30. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- un módulo de control que provoca que dichas excitaciones mecánicas se introduzcan durante al menos parte de un tiempo mientras el dispositivo (10) de almacenamiento de energía se carga.
\vskip1.000000\baselineskip
- 31. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- un módulo de control que provoca que dichas excitaciones mecánicas barran a través de una pluralidad de dichas frecuencias próximas a dichas frecuencias resonantes.
\vskip1.000000\baselineskip
- 32. Dispositivo según la reivindicación 25:
- comprendiendo dicho material (31) activo titanato-zirconato de plomo (PZT).
\vskip1.000000\baselineskip
- 33. Dispositivo según la reivindicación 25:
- comprendiendo dicho material (31) activo zirconato de plomo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 34. Dispositivo según la reivindicación 25:
- comprendiendo dicho material (31) activo titanato de plomo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 35. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- al menos un electrodo que comprende dicha matriz (51) que contiene sustancialmente dicho material (31) activo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 36. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- al menos un electrodo de dicha matriz (51) dopado con un material dopante que comprende dicho material (31) activo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 37. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- al menos un electrodo de dicha matriz (51) que comprende dicho material (31) activo en conexión mecánica con el mismo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 38. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- un electrólito del dispositivo (10) de almacenamiento de energía que comprende dicho material (31) activo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 39. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- un separador del dispositivo (10) de almacenamiento de energía que comprende dicho material (31) activo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 40. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- una pieza colada del dispositivo (10) de almacenamiento de energía que comprende dicho material (31) activo.
\vskip1.000000\baselineskip
- 41. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- dicho material (31) activo externo a y en conexión mecánica con el dispositivo (10) de almacenamiento de energía.
\newpage
- 42. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- dicho material (31) activo en conexión mecánica con al menos un terminal del dispositivo (10) de almacenamiento de energía.
\vskip1.000000\baselineskip
- 43. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- dicho material (31) activo que comprende material magnetosensible sensible a campos magnéticos; y
- dicha señal electromagnética que comprende un campo magnético; en el que:
- dicho material magnetosensible introduce dichas excitaciones mecánicas en respuesta a dicho campo magnético.
\vskip1.000000\baselineskip
- 44. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- una corriente eléctrica que comprende componentes no de CC, además de dicha señal electromagnética, y;
- excitaciones eléctricas, además de dichas excitaciones mecánicas, introducidas en el dispositivo (10) de almacenamiento de energía a través de dichos componentes no de CC, a frecuencias próximas a dichas frecuencias resonantes.
\vskip1.000000\baselineskip
- 45. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- una corriente eléctrica que comprende componentes no de CC, además de dicha señal electromagnética; y
- excitaciones eléctricas, además de dichas excitaciones mecánicas, introducidas en el dispositivo (10) de almacenamiento de energía a través de dichos componentes no de CC, a al menos una frecuencia superior a dichas frecuencias resonantes.
\vskip1.000000\baselineskip
- 46. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- potencia eléctrica a partir de dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía suministrada a un vehículo a motor; y
- potencia eléctrica recibida en dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía a partir de dicho vehículo a motor.
\vskip1.000000\baselineskip
- 47. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- un hibridador que provoca que energía a partir de una fuente suplementaria de energía además de energía a partir de dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía, en proporciones variables sensibles a condiciones de funcionamiento variables, alimenten una carga.
\vskip1.000000\baselineskip
- 48. Dispositivo según la reivindicación 25, que comprende además:
- una conexión eléctrica entre dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía y un sistema de generación y distribución de potencia que habilitan dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía para recibir potencia eléctrica a partir de dicho sistema de generación y distribución de potencia;
- dicha conexión eléctrica que habilita además dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía para suministrar potencia eléctrica a dicho sistema de generación y distribución de potencia; y
- un equilibrador de carga que provoca que dicho dispositivo (10) de almacenamiento de energía reciba y suministre dicha potencia eléctrica a partir de y a dicho sistema de generación y distribución de potencia, en respuesta a condiciones de funcionamiento variables.
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