ES2554988B1 - Electrochemical energy storage device - Google Patents

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Abstract

Dispositivo electroquímico de almacenamiento de energía.#La presente invención se refiere a una batería de metal-aire que funciona a altas temperaturas, comprendiendo dicha batería un electrodo que contiene metal, en el que preferiblemente el metal está en estado fundido, sólido o semisólido; un electrodo de aire poroso que comprende un conductor de electrones e iones oxígeno mixto; y un electrolito de óxido sólido que es conductor de iones oxígeno y eléctricamente aislante, a métodos para su preparación y a su uso como fuente de alimentación de pequeños dispositivos así como fuente de alimentación para aplicaciones en automóviles y como dispositivo de almacenamiento de energía para aplicaciones en servicios públicos así como para aplicaciones electrónicas de potencia y en automóviles.Electrochemical energy storage device # The present invention relates to a metal-air battery that operates at high temperatures, said battery comprising a metal-containing electrode, in which preferably the metal is in a molten, solid or semi-solid state; a porous air electrode comprising a mixed oxygen electron and ion conductor; and a solid oxide electrolyte that is an oxygen and electrically insulating ion conductor, to methods for its preparation and its use as a power supply for small devices as well as a power supply for automobile applications and as an energy storage device for applications in public services as well as for electronic power and automobile applications.

Description

Dispositivo electroquímico de almacenamiento de energía Electrochemical energy storage device

Campo de la invención Field of the Invention

La presente invención se refiere a una célula electroquímica con una densidad de energía excepcionalmente alta y vida de funcionamiento larga. En particular, se refiere a una batería de melal-aire de alta temperatura que incluye un electrodo negativo de metal, un electrodo positivo de aire y un electrolito de óxido sólido que es conductor de iones oxígeno. La invención se refiere además a diseños particulares de células electroquímicas modulares. The present invention relates to an electrochemical cell with an exceptionally high energy density and long operating life. In particular, it refers to a high-temperature melal-air battery that includes a metal negative electrode, a positive air electrode and a solid oxide electrolyte that is an oxygen ion conductor. The invention further relates to particular designs of modular electrochemical cells.

Antecedentes Background

Las baterías recargables, o secundarias, se han usado ampliamente para aplicaciones electrónicas, estacionarias y en automóviles. Se han identificado como una de las tecnologías facilitadoras más importantes en el siglo XXI debido a sus papeles significativos en un futuro energético verde y sostenible. Existen muchos tipos de baterías recargables tales como baterías de plomo-ácido, níquel-cadmio, níquel-hidruro metálico, de flujo redox de vanadio, sodio-azufre y de ion litio. Entre ellas, la batería a base de U es una de las más avanzadas y ha encontrado amplias aplicaciones en los últimos veinte años. Sin embargo, las baterías actuales no se ajustan a la demanda en lo que se refiere a energía, potencia, seguridad, vida y coste. Las baterías futuras necesitarán nuevos compuestos químicos, conceptos de materiales innovadores y técnicas de fabricación y diseño de células revolucionarias. Rechargeable batteries, or secondary ones, have been widely used for electronic, stationary and automobile applications. They have been identified as one of the most important enabling technologies in the 21st century due to their significant roles in a green and sustainable energy future. There are many types of rechargeable batteries such as lead-acid, nickel-cadmium, nickel-metal hydride, vanadium redox, sodium-sulfur and lithium-ion batteries. Among them, the U-based battery is one of the most advanced and has found wide applications in the last twenty years. However, current batteries do not meet demand in terms of energy, power, safety, life and cost. Future batteries will need new chemical compounds, innovative material concepts and manufacturing techniques and revolutionary cell design.

Uno de los posibles sistemas futuros es una batería de metal-aire tal como de U-aire o Znaire, aunque la de Zn-aire habitualmente no es recargable. Una batería de litio-aire normalmente incluye un electrodo negativo de metal de litio (o ánodo), un electrodo positivo (o cátodo) en el que se produce la reacción con oxígeno (por ejemplo, del aire, en ocasiones One of the possible future systems is a metal-air battery such as U-air or Znaire, although Zn-air is usually not rechargeable. A lithium-air battery typically includes a negative lithium metal electrode (or anode), a positive electrode (or cathode) in which the reaction with oxygen occurs (for example, from the air, sometimes

se denomina un "electrodo positivo de oxígeno"), y un electrolito u otro medio que conduce iones en comunicación de fluido tanto con el electrodo positivo como con el electrodo negativo. Normalmente, el litio y el oxígeno reaccionan para producir óxidos de litio. It is called a "positive oxygen electrode"), and an electrolyte or other medium that conducts ions in fluid communication with both the positive electrode and the negative electrode. Normally, lithium and oxygen react to produce lithium oxides.

Durante la descarga, los iones litio fluyen desde el electrodo negativo a través del electrolito y/o el medio que conduce iones para reaccionar con el oxígeno en el electrodo positivo para formar un producto tal como óxido de litio (Li02) o peróxido de litio (Li20 2) que se deposita en el electrodo positivo. Este se acopla con el flujo de electrones desde el electrodo negativo hasta el positivo a través de un circuito de carga, que puede utilizarse para producir potencia. El sistema tiene un voltaje de descarga de aproximadamente 2,7 V. Teóricamente, puede facilitarse una densidad de energía de más de 11000 Wh/kg, sin embargo, en la práctica será muy inferior debido a muchas cuestiones. During discharge, lithium ions flow from the negative electrode through the electrolyte and / or the medium that conducts ions to react with the oxygen in the positive electrode to form a product such as lithium oxide (Li02) or lithium peroxide ( Li20 2) that is deposited on the positive electrode. This is coupled with the flow of electrons from the negative to the positive electrode through a charging circuit, which can be used to produce power. The system has a discharge voltage of approximately 2.7 V. Theoretically, an energy density of more than 11000 Wh / kg can be provided, however, in practice it will be much lower due to many issues.

Una de las principales cuestiones con la batería de U-aire convencional es la escasa capacidad de reciclaje y utilización del ánodo de litio. Tras décadas de investigación y desarrollo, sólo se han logrado algunos cientos de ciclos para las baterías recarga bies de litio. Con la retirada y redeposición repetidas del litio en el ánodo, tiende a formarse una dendrita de alta área superficial. Esto no sólo reduce la eficiencia de la ciclación, debido a la reacción con el electrolito para formar capas de superficie de contacto electrolito-sólido (SEI) resistivas, sino que también posee un grave problema de seguridad debido a la posibilidad de inestabilidad térmica. A menos que se mejore la eficiencia de ciclación del litio, las baterías de Li-aire convencionales lo tendrán difícil para competir con las baterías de ion litio. Se ha estimado que con un exceso de tres veces de litio, la densidad de energía volumétrica de la batería de Li-aire es incluso ligeramente inferior que la de la batería de ion Li actual. Por tanto, grupos de investigación están realizando una tremenda cantidad de trabajo de investigación para mejorar el rendimiento del electrodo de litio (Kraytsberg, A. el al., Journal of Power Sources, 2011 , 196,886-893; Girishkumar, G. el al., J. Phys. Chem., 2010, 1, 2193-2203). Uno de los enfoques es limitar el contacto entre el electrolito líquido con el ánodo de litio. Visco el al. (documentos US2007l117007; US2007l172739; W02007/062220; W02007/075867 y W02010/005686) utilizaron una arquitectura de membrana protectora que conduce los iones Li pero que es impermeable a electrolitos, a la humedad y al aire. Todavía supondría un reto enorme hacer que el ánodo de metal de Li convencional tuviera miles de ciclos para aplicaciones en automóviles y servicios públicos. One of the main issues with the conventional U-air battery is the low capacity for recycling and use of the lithium anode. After decades of research and development, only a few hundred cycles have been achieved for lithium bias recharge batteries. With repeated removal and redeposition of lithium at the anode, a dendrite of high surface area tends to form. This not only reduces the efficiency of the cyclization, due to the reaction with the electrolyte to form resistive electrolyte-solid (SEI) contact surface layers, but also has a serious safety problem due to the possibility of thermal instability. Unless the efficiency of lithium cycling is improved, conventional Li-air batteries will have a hard time competing with lithium-ion batteries. It has been estimated that with a three-fold excess of lithium, the volumetric energy density of the Li-air battery is even slightly lower than that of the current Li-ion battery. Therefore, research groups are carrying out a tremendous amount of research work to improve the performance of the lithium electrode (Kraytsberg, A. al., Journal of Power Sources, 2011, 196,886-893; Girishkumar, G. el al. , J. Phys. Chem., 2010, 1, 2193-2203). One of the approaches is to limit the contact between the liquid electrolyte with the lithium anode. Visco al. (US2007l117007; US2007l172739; W02007 / 062220; W02007 / 075867 and W02010 / 005686) used a protective membrane architecture that conducts Li ions but is electrolyte, moisture and air impermeable. It would still be a huge challenge to make the conventional Li metal anode have thousands of cycles for applications in cars and utilities.

Otra cuestión principal con la batería de Li-aire convencional con electrolito orgánico es el cátodo de aire. A medida que se forman los productos de reacción de óxido de litio, a menudo bloquean los poros del cátodo y detienen efectivamente la reacción del electrodo. Como resultado, la mayoría de la disminución del voltaje de la célula se produce en el cátodo de aire (Kraytsberg, A. et al., Journal of Power Sources, 2011, 196, 886-893). Para mejorar el rendimiento del cátodo de aire, los investigadores han estado desarrollando catalizadores avanzados con el fin de reducir la sobretensión del cátodo y aumentar la reversibilidad de la reacción. También debe prestarse atención a la arquitectura del cátodo para mantener un transporte adecuado de oxígeno e iones Li hacia los sitios de reacción y al mismo tiempo proporcionar espacio suficiente para alojar productos de óxido sólido (Kraytsberg, A. el al. , Journal o, Power Sources, 2011, 196, 886-893). Another main issue with the conventional Li-air battery with organic electrolyte is the air cathode. As the lithium oxide reaction products are formed, they often block the pores of the cathode and effectively stop the electrode reaction. As a result, the majority of cell voltage decrease occurs in the air cathode (Kraytsberg, A. et al., Journal of Power Sources, 2011, 196, 886-893). To improve the performance of the air cathode, researchers have been developing advanced catalysts in order to reduce cathode overvoltage and increase the reversibility of the reaction. Attention should also be paid to the cathode architecture to maintain adequate transport of oxygen and Li ions to the reaction sites and at the same time provide sufficient space to house solid oxide products (Kraytsberg, A. el al., Journal or, Power Sources, 2011, 196, 886-893).

Debido al diseño, la arquitectura y los materiales usados para los diferentes componentes que configuran las baterías de U-aire descritas en el estado de la técnica, todavía no son competitivas con otras baterías de litio convencionales, y por tanto no se ha empleado su uso para aplicaciones en automóviles y servicios públicos. Por tanto, es deseable desarrollar nuevos sistemas de baterías que aborden principalmente la baja eficiencia del ánodo de metal y el bloqueo de los poros en el electrodo de cátodo de aire. Due to the design, architecture and materials used for the different components that make up the U-air batteries described in the prior art, they are not yet competitive with other conventional lithium batteries, and therefore their use has not been used for applications in cars and public services. Therefore, it is desirable to develop new battery systems that primarily address the low efficiency of the metal anode and the blocking of the pores in the air cathode electrode.

Por otra parte, se han desarrollado células de combustible de óxido sólido (SOFC) como tecnología prometedora que convierte la energía química de un combustible en electricidad a través de una reacción química con oxígeno. La principal característica de una célula de combustible de óxido sólido es su electrolito sólido que es un conductor de oxígeno. También tiene un cátodo y un ánodo en los que tienen lugar la mitad de las reacciones de la célula. En el cátodo, se reduce el oxígeno a iones oxígeno que entonces se transportan al ánodo a través del electrolito sólido bajo carga eléctrica. En el ánodo, el oxígeno reacciona con combustibles que contienen hidrógeno para formar agua. On the other hand, solid oxide fuel cells (SOFC) have been developed as a promising technology that converts the chemical energy of a fuel into electricity through a chemical reaction with oxygen. The main characteristic of a solid oxide fuel cell is its solid electrolyte which is an oxygen conductor. It also has a cathode and an anode in which half of the cell reactions take place. In the cathode, oxygen is reduced to oxygen ions that are then transported to the anode through the solid electrolyte under electrical charge. In the anode, oxygen reacts with fuels that contain hydrogen to form water.

Una célula de combustible de óxido sólido particular que puede mencionarse es una que contiene un ánodo de estaño líquido para dirigir la generación de energía a partir de carbón A particular solid oxide fuel cell that can be mentioned is one that contains a liquid tin anode to direct the generation of energy from coal

o combustibles JPB (Tao, 1. en SOFC-IX, S.C. Singhal y J. Mizusaki Editors, Quebec City, Canadá, 2005, págs. 353-362; Tao, T. etal., ECS Transactions, 2007, 12, 681-690; McPhee, or JPB fuels (Tao, 1. in SOFC-IX, SC Singhal and J. Mizusaki Editors, Quebec City, Canada, 2005, pp. 353-362; Tao, T. etal., ECS Transactions, 2007, 12, 681- 690; McPhee,

W.A.G. et al, Energy & Fuels, 2009, 23, 5036-5041 ; Koslowske, M.1. et al., Advances in Solid Oxide Fuel Cells V, 2009, 30; Tao, T. et al., ECS Transactions, 2009, 25, 1115-1124). En un sistema de este tipo, se usa estaño como capa líquida que cubre completamente el área de intercambio de oxígeno activo entre el electrolito y el ánodo. En particular, el ánodo líquido participa como un intermediario para la oxidación de combustible suministrado a la célula de combustible. El ánodo sirve como un amortiguador contra los contaminantes del combustible, ya que bloquea el transporte de los constituyentes insolubles o de formación de escoria al electrolito e impide el transporte de los contaminantes de combustible solubles, reduciendo así la tasa de reacciones entre el contaminante y el electrolito. También se propone que se mejora la eficiencia de uso de la superficie del electrolito con respecto a la tecnología de ánodo sólido poroso existente porque la capa de líquido cubre completamente el electrolito. Por tanto, puede esperarse que se produzcan reacciones del oxígeno por toda la superficie del electrolito cuando se usa un ánodo líquido, en lugar de sólo alrededor de límites de triple fase entre el combustible, el ánodo y el electrolito. Jayakumar et al. (J. Electrochem. Soc., 2010, 157(3), 8365-8369) informaron de un dispositivo de este tipo en el que se examinaron el Sn y el Bi a 973 y 1073 K para su uso como ánodos en células de combustible de óxido sólido con electrolito de zircona estabilizada con itria (YSZ). Aunque los voltajes de circuito abierto estaban próximos a lo que se esperaba basándose en sus termodinámicas de oxidación, su intención era usar melal fundido como medio para transferir oxígeno a combustibles sólidos tales como el carbón. Por tanto, estos sistemas todavía se usaron como dispositivos de conversión de energía. W.A.G. et al, Energy & Fuels, 2009, 23, 5036-5041; Koslowske, M.1. et al., Advances in Solid Oxide Fuel Cells V, 2009, 30; Tao, T. et al., ECS Transactions, 2009, 25, 1115-1124). In such a system, tin is used as a liquid layer that completely covers the area of active oxygen exchange between the electrolyte and the anode. In particular, the liquid anode participates as an intermediate for the oxidation of fuel supplied to the fuel cell. The anode serves as a buffer against fuel contaminants, as it blocks the transport of insoluble constituents or slag formation to the electrolyte and prevents the transport of soluble fuel contaminants, thus reducing the rate of reactions between the contaminant and the electrolyte. It is also proposed that the efficiency of use of the electrolyte surface is improved with respect to the existing porous solid anode technology because the liquid layer completely covers the electrolyte. Therefore, it is expected that oxygen reactions will occur throughout the surface of the electrolyte when a liquid anode is used, rather than only around triple phase boundaries between the fuel, the anode and the electrolyte. Jayakumar et al. (J. Electrochem. Soc., 2010, 157 (3), 8365-8369) reported such a device in which the Sn and Bi were examined at 973 and 1073 K for use as anodes in fuel cells of solid oxide with zirconia electrolyte stabilized with yttria (YSZ). Although open circuit voltages were close to what was expected based on their oxidation thermodynamics, their intention was to use molten melal as a means to transfer oxygen to solid fuels such as coal. Therefore, these systems were still used as energy conversion devices.

Los documentos W003/001617 y WOO1l80335 describen dispositivos recargables que tienen una capacidad de modo dual, ya que dichos dispositivos pueden funcionar como célula de combustible y como batería, e incluyen un ánodo de metal líquido, un electrolito y un cátodo. Sin embargo, es necesario recargarlos con una fuente química con el fin de funcionar de forma dual y sólo actúan como batería proporcionando energía eléctrica durante un periodo de tiempo corto cuando el suministro de combustible (fuente química) se ha agotado o interrumpido. Por tanto, estos sistemas no pueden considerarse como dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica, e incluso menos con propiedades mejoradas con respecto a baterías de metal-aire disponibles actualmente, tal como prevé esta invención. Documents W003 / 001617 and WOO1l80335 describe rechargeable devices that have a dual mode capability, since such devices can function as a fuel cell and as a battery, and include a liquid metal anode, an electrolyte and a cathode. However, it is necessary to recharge them with a chemical source in order to operate dually and only act as a battery providing electrical power for a short period of time when the fuel supply (chemical source) has been depleted or interrupted. Therefore, these systems cannot be considered as an electrical energy storage device, and even less with improved properties with respect to currently available metal-air batteries, as provided by this invention.

Breve descripción de la invención Brief Description of the Invention

Los autores de la presente invención han encontrado que una batería de metal-aire en la que difunden iones oxígeno a través de un electrolito de óxido sólido entre electrodos y en la que el ánodo de metal funciona en un estado fundido o semifundido, permite que tengan lugar reacciones electroquímicas y supera los problemas derivados del uso de baterías de metal-aire convencionales de la técnica. The authors of the present invention have found that a metal-air battery in which oxygen ions diffuse through a solid oxide electrolyte between electrodes and in which the metal anode operates in a molten or semi-molten state, allows them to have place electrochemical reactions and overcome the problems arising from the use of conventional metal-air batteries of the technique.

La batería de metal-aire de la invención combina la tecnología de las baterías de metal-aire convencionales con la de las células de combustible de óxido sólido para proporcionar un sistema de alta energía para muchas aplicaciones en servicios públicos. Esta batería funciona a alta temperatura, normalmente entre 300-1000°C. The metal-air battery of the invention combines the technology of conventional metal-air batteries with that of solid oxide fuel cells to provide a high energy system for many applications in public services. This battery operates at high temperature, usually between 300-1000 ° C.

En particular, usa el cátodo y el electrolito de células de combustible de óxido sólido (SOFC) y un combustible que contiene metal almacenado en las baterías de metal-aire. Sin embargo, las reacciones electroquímicas que tienen lugar en el nuevo sistema de baterías son completamente diferentes de los de las baterías de metal-aire o SOFC tal como se muestra a continuación. In particular, it uses the cathode and solid oxide fuel cell electrolyte (SOFC) and a metal-containing fuel stored in metal-air batteries. However, the electrochemical reactions that take place in the new battery system are completely different from those of the metal-air or SOFC batteries as shown below.

A diferencia de otros dispositivos electroquímicos que combinan la tecnología de baterías de metal-aire con la de células de combustible de óxido sólido, la batería de la invención sólo puede recargarse eléctricamente y usarse como dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica. Unlike other electrochemical devices that combine metal-air battery technology with solid oxide fuel cell technology, the battery of the invention can only be recharged electrically and used as an electrical energy storage device.

Más en particular, la invención proporciona un sistema de baterías de metal-aire con densidad de energía superior a la de las baterías de ion litio debido a la alta eficiencia de la utilización del metal. Además, el uso de un electrolito de óxido sólido reduce significativamente la parte de electrolito en el sistema cuando se compara con otras baterías de metal-aire en las que hasta el 70% del peso es electrolito. Esto también da como resultado densidades de energía superiores. More in particular, the invention provides a metal-air battery system with energy density higher than that of lithium ion batteries due to the high efficiency of metal utilization. In addition, the use of a solid oxide electrolyte significantly reduces the electrolyte part in the system when compared to other metal-air batteries in which up to 70% of the weight is electrolyte. This also results in higher energy densities.

Como ventaja adicional, tiene una vida cíclica más larga que las células de U-aire convencionales, puesto que no se forma dendrita de litio. La ausencia de formación de dendrita evita también los cortocircuitos y la inestabilidad térmica, haciendo así que el sistema de baterías de metal-aire de la invención sea más seguro que las baterías a base de litio convencionales. As an additional advantage, it has a longer cyclic life than conventional U-air cells, since lithium dendrite is not formed. The absence of dendrite formation also prevents short circuits and thermal instability, thus making the metal-air battery system of the invention safer than conventional lithium-based batteries.

En particular, la batería de metal-aire de la invención puede cargarse y descargarse eléctricamente durante más de 1000 ciclos sin ningún tipo de combustible o fuente química, produciendo así una eficiencia culómbica de aproximadamente 1. In particular, the metal-air battery of the invention can be charged and discharged electrically for more than 1000 cycles without any type of fuel or chemical source, thus producing a chlombic efficiency of approximately 1.

Debido a la alta densidad de energía, como resultado de la alta carga y utilización del ánodo de metal, y la larga vida cíclica, se espera que el coste por kWh de energía sea comparable al, o inferior al, de las baterías de U-aire o ion litio convencionales. Due to the high energy density, as a result of the high charge and use of the metal anode, and the long cyclic life, the cost per kWh of energy is expected to be comparable to, or less than, U-batteries conventional air or lithium ion.

La batería de metal-aire de la invención también es recargable y por tanto puede usarse como dispositivo de almacenamiento de energía. The metal-air battery of the invention is also rechargeable and therefore can be used as an energy storage device.

En comparación con las células de combustible de óxido sólido, usa un combustible de metal almacenado en lugar de combustibles gaseosos convencionales y por tanto no necesita un sistema de distribución de combustible. Además, la temperatura de funcionamiento puede reducirse potencialmente y la densidad de potencia por área unitaria Compared to solid oxide fuel cells, it uses a stored metal fuel instead of conventional gaseous fuels and therefore does not need a fuel distribution system. In addition, the operating temperature can potentially be reduced and the power density per unit area

es muy superior a la de las células de combustible de óxido sólido tradicionales. Por tanto, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un método para el almacenamiento de energía eléctrica, comprendiendo dicho método: It is far superior to that of traditional solid oxide fuel cells. Therefore, a first aspect of the present invention relates to a method for electrical energy storage, said method comprising:

a) Proporcionar una balería de metal-aire que comprende: a.1) un electrodo negativo que contiene metal; a.2) un electrodo de aire positivo poroso; a.3) un eleclrolito conductor de iones oxígeno; y 8.4) opcionalmente, una capa de cerámica ubicada entre el electrodo de aire positivo a) Provide a metal-air battery comprising: a.1) a negative electrode containing metal; a.2) a porous positive air electrode; a.3) an oxygen ion conducting electrolyte; Y 8.4) optionally, a ceramic layer located between the positive air electrode

poroso y el electrolito conductor de iones oxígeno, porous and oxygen ion conducting electrolyte,

b) conectar la batería de metal-aire a una fuente de energía eléctrica de modo que dicha batería de metal-aire se recarga eléctricamente, en el que dicho método excluye la conexión de la batería de metal-aire a una fuente de b) connect the metal-air battery to an electric power source so that said metal-air battery is electrically recharged, in which said method excludes the connection of the metal-air battery to a power source

energía química, chemical energy,

y en el que la batería de metal-aire funciona a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 300 y aproximadamente 1000oC. Un segundo aspecto de la presente invención se refiere a una batería de metal-aire que and in which the metal-air battery operates at temperatures ranging between approximately 300 and approximately 1000oC. A second aspect of the present invention relates to a metal-air battery that

comprende: a) un electrodo negativo que contiene metal; b) un electrodo de aire positivo poroso; understands: a) a negative electrode containing metal; b) a porous positive air electrode;

c) un electrolito conductor de iones oxígeno; y c) an oxygen ion conducting electrolyte; Y

d) opcionalmente, una capa de cerámica ubicada entre el electrodo de aire positivo d) optionally, a ceramic layer located between the positive air electrode

poroso y el eleclrolito conductor de iones oxígeno, en la que el electrolito está en contacto con el electrodo negativo que contiene metal en un lado y con el electrodo de aire positivo poroso en el otro lado, o cuando está presente la porous and the oxygen ion conducting electrolyte, in which the electrolyte is in contact with the negative electrode containing metal on one side and with the porous positive air electrode on the other side, or when the

capa de cerámica, el electrolito de óxido sólido está en contacto con el electrodo negativo que contiene metal en un lado y con la capa de cerámica en el otro lado, en la que el electrodo que contiene melal está encerrado en una funda de cubierta para ceramic layer, the solid oxide electrolyte is in contact with the negative electrode containing metal on one side and with the ceramic layer on the other side, in which the electrode containing melal is enclosed in a cover sheath for

aislar el electrodo de cualquier gas o fuente qu ímica; isolate the electrode from any gas or chemical source;

en la que la batería de metal-aire sólo puede recargarse mediante electricidad y funciona a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 300 y aproximadamente 100QoC. En otro aspecto, la presente invención se refiere a un sistema de módulos que comprende al in which the metal-air battery can only be recharged by electricity and operates at temperatures ranging between approximately 300 and approximately 100QoC. In another aspect, the present invention relates to a module system comprising the

menos dos baterías de metal-aire apiladas tal como se definió anteriormente. minus two stacked metal-air batteries as defined above.

Otro aspecto de la presente invención se refiere a un método para fabricar la batería de metal-aire de la presente invención, comprendiendo dicho método: a) proporcionar un electrolito de óxido sólido tal como se definió anteriormente; b) colocar el electrodo positivo poroso y el electrodo negativo que contiene metal a cada Another aspect of the present invention relates to a method for manufacturing the battery of metal-air of the present invention, said method comprising: a) providing a solid oxide electrolyte as defined above; b) place the porous positive electrode and the metal-containing negative electrode at each

lado del electrolito de óxido sólido; e) encerrar el electrodo negativo que contiene metal en la funda de cubierta. Otro aspecto de la presente invención se refiere a un método para el almacenamiento de solid oxide electrolyte side; e) enclose the negative electrode containing metal in the cover sheath. Another aspect of the present invention relates to a method for the storage of

energía eléctrica, comprendiendo dicho método: a) proporcionar una batería de metal-aire tal como se definió anteriormente; y b) conectar la batería de metal-aire a una fuente de energía eléctrica de modo que electric power, said method comprising: a) provide a metal-air battery as defined above; Y b) connect the metal-air battery to an electric power source so that

dicha batería de metal-aire se recarga eléctricamente; en el que dicho método excluye la conexión de la batería de metal-aire a una fuente de energía química, said metal-air battery is recharged electrically; wherein said method excludes the connection of the metal-air battery to a source of chemical energy,

y en el que la batería de metal-aire funciona a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 300 y aproximadamente 100QoC. and in which the metal-air battery operates at temperatures ranging from about 300 to about 100QoC.

Otro aspecto de la invención se refiere al uso de la batería de metal-aire tal como se definió anteriormente como fuente de alimentación eléctrica para aplicaciones en servicios públicos así como fuente de alimentación para aplicaciones electrónicas de potencia y en automóviles. Another aspect of the invention relates to the use of the metal-air battery as defined above as an electrical power source for applications in public services as well as a power supply for electronic power and automobile applications.

Finalmente, otro aspecto de la invención se refiere al uso de la batería de metal-aire tal como se definió anteriormente como dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica para aplicaciones en servicios públicos así como para aplicaciones electrónicas de potencia yen automóviles. Finally, another aspect of the invention relates to the use of the metal-air battery as defined above as an electric energy storage device for applications in public services as well as for electronic power and automobile applications.

Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings

Figura 1. Ilustración de una célula de metal-aire de alta temperatura. Figure 1. Illustration of a high-temperature metal-air cell.

Figura 2. Ilustración de dos opciones de un diseño plano de una batería de metal-aire de alta temperatura. Figure 2. Illustration of two options for a flat design of a high-temperature metal-air battery.

Figura 3. Ilustración de un diseño tubular de una batería de metal-aire de alta temperatura. Figure 3. Illustration of a tubular design of a high-temperature metal-air battery.

Figura 4. Configuraciones de células de batería de metal-aire como función del material que proporciona soporte mecánico: (a) electrolito; (b) ánodo; (c) sustrato inerte. Figure 4. Metal-air battery cell configurations as a function of the material that provides mechanical support: (a) electrolyte; (b) anode; (c) inert substrate.

Figura 5. Ejemplos sobre interconexiones en la configuración plana: a) células conectadas en paralelo, opción vertical; b) células conectadas en serie, opción horizontal. Figure 5. Examples of interconnections in the flat configuration: a) cells connected in parallel, vertical option; b) series connected cells, horizontal option.

Figura 6. Ejemplos sobre interconexiones en la configuración tubular: a) células conectadas en paralelo dentro de un haz; b) varios haces conectados en un apilamiento corto para formar un sistema de módulos. Figure 6. Examples of interconnections in the tubular configuration: a) cells connected in parallel within a beam; b) several beams connected in a short stack to form a module system.

Figura 7. a) Curvas de carga y descarga de una batería de estaño-aire a 800°C; b) Curva de eficiencia de la batería de estaño-aire a 800°C. Figure 7. a) Charge and discharge curves of a tin-air battery at 800 ° C; b) Tin-air battery efficiency curve at 800 ° C.

Figura 8. a) Curvas de carga y descarga de una batería de estaño-aire usando la unidad de repetición individual del diseño plano a BooDe (el recuadro corresponde a la vista aumentada de las curvas cíclicas); b) Curva de eficiencia de la célula conceptual de batería de estañoaire a BOOoe. Fabricación de la célula bajo gas protector. Figure 8. a) Charge and discharge curves of a tin-air battery using the individual repeating unit of the flat design to BooDe (the box corresponds to the enlarged view of the cyclic curves); b) Efficiency curve of the conceptual battery cell from tin to air to BOOoe. Manufacture of the cell under protective gas.

Figura 9. a) Curvas de carga y descarga de una batería de estaño-aire usando la unidad de repetición individual del diseño plano a BOODe (el recuadro corresponde a la vista aumentada de las curvas cíclicas); b) Curva de eficiencia de la célula conceptual de batería de estañoaire a BOODe. Fabricación de la célula al aire. Figure 9. a) Charge and discharge curves of a tin-air battery using the individual repeating unit of the flat design to BOODe (the box corresponds to the enlarged view of the cyclic curves); b) Efficiency curve of the conceptual battery cell from tin to air to BOODe. Manufacture of the cell in the air.

Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention

Ahora se hara referencia en detalle a algunas realizaciones específicas de la invención que incluyen los mejores modos contemplados por los inventores para llevar a cabo la invención. Ejemplos de estas realizaciones específicas se ilustran en los dibujos adjuntos. Aunque la invención se describe conjuntamente con estas realizaciones específicas , se entenderá que no se pretende limitar la invención a las realizaciones descritas. Por el contrario, se pretende cubrir alternativas, modificaciones y equivalentes ya que pueden incluirse dentro del espíritu y el alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas. En la siguiente descripción, se explican numerosos detalles específicos con el fin de proporcionar una comprensión completa de la presente invención. La presente invención puede ponerse en práctica sin algunos o todos estos detalles específicos. Reference will now be made in detail to some specific embodiments of the invention that include the best ways contemplated by the inventors for carrying out the invention. Examples of these specific embodiments are illustrated in the accompanying drawings. Although the invention is described in conjunction with these specific embodiments, it will be understood that it is not intended to limit the invention to the described embodiments. On the contrary, it is intended to cover alternatives, modifications and equivalents since they can be included within the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. In the following description, numerous specific details are explained in order to provide a complete understanding of the present invention. The present invention can be practiced without some or all of these specific details.

En esta memoria descriptiva yen las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una" y "el/la" incluyen las referencias en plural a menos que el contexto dicte claramente otra cosa. A menos que se defina otra cosa, todos los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado que el entendido comúnmente por un experto habitual en la técnica a la que pertenece esta invención. In this specification and in the appended claims, the singular forms "a", "a" and "the" include plural references unless the context clearly dictates otherwise. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as that commonly understood by a person skilled in the art to which this invention pertains.

En un primer aspecto, la presente invención proporciona un método para el almacenamiento de energía eléctrica. Este método se basa en el uso de una batería de metal-aire de bajo coste, mejor seguridad y densidad de energía superior para aplicaciones en servicios públicos y otras, en comparación con las baterías de ion Li y de metal-aire de la técnica anterior. En particular, el método de la invención usa un sistema de múltiples capas que comprende un electrodo de aire poroso, diseñado para una actividad catalítica alta hacia la reducción/evolución de oxígeno y conductividad electrónica e iónica mixta (o principalmente In a first aspect, the present invention provides a method for storing electrical energy. This method is based on the use of a low-cost metal-air battery, better safety and higher energy density for public and other utility applications, compared to prior art Li and metal-air ion batteries. . In particular, the method of the invention uses a multilayer system comprising a porous air electrode, designed for a high catalytic activity towards oxygen reduction / evolution and mixed electronic and ionic conductivity (or mainly

electrónica) en un amplio intervalo de temperaturas de funcionamiento (es decir 3001000°C), un electrodo de metal y un conductor de iones oxígeno como electrolito. electronics) over a wide range of operating temperatures (ie 3001000 ° C), a metal electrode and an oxygen ion conductor as an electrolyte.

La figura 1 ilustra el concepto del método de la invención que usa una batería de metal-aire de alta temperatura. A diferencia de las baterías de Li-aire convencionales en las que el litio difunde a través del electrolito entre electrodos, la batería usada en el método de la invención transporta iones oxígeno que difunden a través de un electrolito sólido entre electrodos. Las reacciones químicas generadas durante el funcionamiento electroquímico de la batería de metal-aire se muestran a continuación: Figure 1 illustrates the concept of the method of the invention using a high-temperature metal-air battery. Unlike conventional Li-air batteries in which lithium diffuses through the electrolyte between electrodes, the battery used in the method of the invention carries oxygen ions that diffuse through a solid electrolyte between electrodes. The chemical reactions generated during the electrochemical operation of the metal-air battery are shown below:

Ánodo:M + xO~ H MOx + 2xeAnode: M + xO ~ H MOx + 2xe

Cátodo: 1/2xO,(9) + 2xo-<-> xO' Cathode: 1 / 2xO, (9) + 2xo- <-> xO '

Total: M + 1/2xO,(9) <-> MO, Total: M + 1 / 2xO, (9) <-> MO,

Más específicamente, en la descarga, se reduce el gas oxígeno y se disocia en iones oxígeno en el cátodo. los iones oxígeno difunden a través de un electro lito de óxido sólido desde el cátodo hasta el ánodo y allí reaccionan con el melal y forman un óxido de metal en el ánodo. En la carga, se descompone el óxido de melal y se liberan iones oxígeno en el ánodo que entonces difunden al cátodo para formar gas oxígeno. More specifically, in the discharge, the oxygen gas is reduced and dissociated into oxygen ions in the cathode. The oxygen ions diffuse through an electro lithium of solid oxide from the cathode to the anode and there they react with the melal and form a metal oxide in the anode. In the charge, the melal oxide is decomposed and oxygen ions are released in the anode that then diffuses to the cathode to form oxygen gas.

Por tanto, la reacción electroquímica es reversible y los óxidos de metal formados durante la descarga pueden regenerarse en metal cuando se invierte la corriente, dando lugar a un sistema recargable que puede usarse durante muchos ciclos. Therefore, the electrochemical reaction is reversible and metal oxides formed during discharge can be regenerated into metal when the current is inverted, resulting in a rechargeable system that can be used for many cycles.

La batería de metal-aire sólo puede recargarse eléctricamente. Por tanto, tras la conexión a una fuente de energía eléctrica, la batería de metal-aire se recarga eléctricamente y está lista para su uso. The metal-air battery can only be recharged electrically. Therefore, after connection to an electric power source, the metal-air battery is recharged electrically and is ready for use.

El método de la invención sólo contempla que la batería de metal-aire se recargue, eléctricamente y por tanto, excluye la conexión de la batería de metal-aire a cualquier otra fuente, tal como una fuente química. The method of the invention only contemplates that the metal-air battery is recharged electrically and therefore excludes the connection of the metal-air battery to any other source, such as a chemical source.

A continuación se describe una explicación detallada de los componentes de la batería de metal-aire. A detailed explanation of the metal-air battery components is described below.

Electrodo negativo que contiene metal Negative electrode containing metal

El electrodo negativo que contiene metal constituye el ánodo del sistema de baterías y comprende, como componente principal, al menos un metal, aleación metálica o compuesto que contiene metal o bien en un estado fundido, sólido o bien semisólido. The negative electrode containing metal constitutes the anode of the battery system and comprises, as the main component, at least one metal, metal alloy or metal-containing compound either in a molten, solid or semi-solid state.

En una realización particular de esta invención, el metal se selecciona de elementos alcalinos, elementos de melal alcalinotérreo, elementos del grupo VIS, grupo VIIB, grupo VIIIB, grupo lB, grupo IIB, grupo lilA y grupo IVA de la tabla periódica. Preferiblemente, el melal se selecciona de estaño, bismuto, galio, hierro, cobre, cobalto, níquel, plomo, magnesio, zinc, antimonio, indio, sodio, litio, tungsteno, molibdeno, cerio, titanio, manganeso, niobio, vanadio y aluminio. Más preferiblemente es estaño, bismuto, galio, zinc, sodio, litio y aluminio, incluso más preferiblemente el metal se selecciona de estaño, litio y zinc. In a particular embodiment of this invention, the metal is selected from alkaline elements, alkaline earth melal elements, elements of the VIS group, group VIIB, group VIIIB, group lB, group IIB, lilA group and VAT group from the periodic table. Preferably, the melal is selected from tin, bismuth, gallium, iron, copper, cobalt, nickel, lead, magnesium, zinc, antimony, indium, sodium, lithium, tungsten, molybdenum, cerium, titanium, manganese, niobium, vanadium and aluminum . More preferably it is tin, bismuth, gallium, zinc, sodium, lithium and aluminum, even more preferably the metal is selected from tin, lithium and zinc.

Además, en otra realización de esta invención, también puede usarse una mezcla de metales como materiales de electrodo en el sistema de baterías de metal-aire. La mezcla de metales puede estar compuesta de los mismos elementos mencionados anteriormente, por ejemplo estaño, bismuto, galio, hierro, cobre, cobalto, níquel, plomo, magnesio, zinc, antimonio, indio, sodio, litio, tungsteno, molibdeno, cerio, titanio, manganeso, niobio, vanadio y aluminio. La mezcla de metales se refiere a una mezcla de metales homogénea y/o una mezcla de metales no homogénea, tal como una mezcla heterogénea, metales dopados y otras formas de materiales con más de una especie de metal tal como una mezcla de metales o bien en forma de partículas, partículas prensadas o bien partículas sinterizadas. In addition, in another embodiment of this invention, a mixture of metals can also be used as electrode materials in the metal-air battery system. The metal mixture may be composed of the same elements mentioned above, for example tin, bismuth, gallium, iron, copper, cobalt, nickel, lead, magnesium, zinc, antimony, indium, sodium, lithium, tungsten, molybdenum, cerium, titanium, manganese, niobium, vanadium and aluminum. The metal mixture refers to a homogeneous metal mixture and / or a non-homogeneous metal mixture, such as a heterogeneous mixture, doped metals and other forms of materials with more than one metal species such as a metal mixture or in the form of particles, pressed particles or sintered particles.

También pueden usarse adiciones en pequeñas fracciones de los metales descritos anteriormente para mejorar las propiedades de humectación y para ajustar los puntos de fusión y por tanto para controlar cuidadosamente la actividad de los metales. Additions can also be used in small fractions of the metals described above to improve the wetting properties and to adjust the melting points and therefore to carefully control the activity of the metals.

Además, en otra realización de la invención también pueden usarse materiales de metal en aleación como materiales de electrodo en el sistema de baterías de metal-aire. Los materiales de metal en aleación pueden estar compuestos por los mismos elementos mencionados anteriormente, por ejemplo estaño, bismuto, galio, hierro, cobre, cobalto, níquel, plomo, magnesio, zinc, antimonio, indio, sodio, litio y aluminio. In addition, in another embodiment of the invention metal alloy materials can also be used as electrode materials in the metal-air battery system. Metal alloy materials may be composed of the same elements mentioned above, for example tin, bismuth, gallium, iron, copper, cobalt, nickel, lead, magnesium, zinc, antimony, indium, sodium, lithium and aluminum.

Además, en otra realización de esta invención, el electrodo que contiene melal puede ser una combinación de los metales, mezcla de metales, materiales de metal en aleación y compuestos que contienen metales mencionados anteriormente In addition, in another embodiment of this invention, the melal-containing electrode may be a combination of metals, metal blends, metal alloy materials and metal-containing compounds mentioned above.

5 Preferiblemente, el metal, la aleación metálica o el compuesto que contiene metal está en un estado fundido o líquido. Esto permite una mejor utilización del metal, dando como resultado una densidad de energía práctica superior. Además, reduce la degradación mecánica y mejora la vida cíclica del ánodo debido a la función de autorregeneración del líquido. 5 Preferably, the metal, the metal alloy or the metal-containing compound is in a molten or liquid state. This allows a better use of the metal, resulting in a higher practical energy density. In addition, it reduces mechanical degradation and improves the cyclic life of the anode due to the self-regeneration function of the liquid.

10 En otra realización preferida, el metal, la aleación metálica o el compuesto que contiene melal puede estar en forma de polvos metálicos finos que pueden interdispersarse con un material conductor para aumentar los sitios de reacción y mejorar la utilización de combustible. In another preferred embodiment, the metal, metal alloy or melal-containing compound may be in the form of fine metal powders that can be interdispersed with a conductive material to increase reaction sites and improve fuel utilization.

15 En otra realización , el metal, la aleación metálica o el compuesto que contiene metal puede estar en forma de un metal sólido y comprende una sal fundida que porta oxígeno desde la superficie de contacto del electrolito hasta el metal. In another embodiment, the metal, the metal alloy or the metal-containing compound may be in the form of a solid metal and comprises a molten salt that carries oxygen from the contact surface of the electrolyte to the metal.

En otra realización , el compuesto que contiene metal puede estar en forma de un par redox 20 tal como el sistema Na2S/Na2S04. In another embodiment, the metal-containing compound may be in the form of a redox pair 20 such as the Na2S / Na2S04 system.

En otra realización particular, el electrodo que contiene metal comprende además una matriz porosa que conduce iones o iones-electrones mixta que potencia los sitios activos del electrodo para la reacción electroquímica, aumentando así el rendimiento y la eficiencia del In another particular embodiment, the metal-containing electrode further comprises a porous matrix that conducts mixed ions or ion-electrons that enhances the active sites of the electrode for the electrochemical reaction, thereby increasing the performance and efficiency of the

25 sistema. Debe ser porosa con el fin de permitir que se cargue el combustible metálico. Preferiblemente, la matriz porosa que conduce iones o iones-electrones mixta contiene fibras o polvos finos interconectados. 25 system It must be porous in order to allow the metallic fuel to be loaded. Preferably, the porous matrix that conducts mixed ions or electron ions contains interconnected fibers or fine powders.

Por tanto, en una realización preferida, el electrodo negativo que contiene metal comprende 30 una mezcla de: Thus, in a preferred embodiment, the metal-containing negative electrode comprises a mixture of:

1) un metal, aleación metálica o compuesto que contiene polvo metálico, y 1) a metal, metal alloy or compound containing metal powder, and

2) un polvo o fibra que conduce iones puros o iones-electrones mixto. 2) a powder or fiber that conducts pure ions or mixed ion-electrons.

En otra realización preferida, el electrodo negativo de metal comprende una mezcla de: In another preferred embodiment, the metal negative electrode comprises a mixture of:

1) un metal líquido, aleación metálica o compuesto que contiene metal y 1) a liquid metal, metal alloy or compound containing metal and

2) un polvo o fibra que conduce iones puros o iones-electrones mixto. 2) a powder or fiber that conducts pure ions or mixed ion-electrons.

Alternativamente, la matriz porosa que conduce iones o iones-electrones mixta forma un entramado en el que está contenido el metal, aleación metálica o compuesto que contiene melaL Alternatively, the porous matrix that conducts mixed ions or electron ions forms a framework in which the metal, metal alloy or compound containing melaL is contained

10 En una realización preferida, la matriz porosa que conduce iones está compuesta por un conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita que comprende un compuesto de fórmula (1): In a preferred embodiment, the porous ion-conducting matrix is composed of a fluorite-related oxygen ion conductor comprising a compound of formula (1):

[(A,_._,A',A"y)O,),_,[(S,_,S'.)O'],.d (Fórmula 1) 15 [(A, _._, A ', A "y) O,), _, [(S, _, S'.) O '] ,. d (Formula 1) 15

en la que: in which:

A, A' Y A" son diferentes entre sí, y A, A' Y A" comprenden cada uno independiente al menos un elemento mono, di o trivalente seleccionado de itrio (Y), sodio (Na), escandia (Se), 20 samario (Sm), gadolinio (Gd), cerio (Ce), calcio (Ca), magnesio (Mg), aluminio (Al) y bismuto (Si); A, A 'YA "are different from each other, and A, A' YA" each independently comprise at least one mono, di or trivalent element selected from yttrium (Y), sodium (Na), scandia (Se), 20 samarium (Sm), gadolinium (Gd), cerium (Ce), calcium (Ca), magnesium (Mg), aluminum (Al) and bismuth (Si);

B Y B' son diferentes entre sí, y B Y B' comprenden cada uno independiente un catión seleccionado de zirconio (Zr) y cerio (Ce). 25 B and B 'are different from each other, and B and B' each independently comprise a cation selected from zirconium (Zr) and cerium (Ce). 25

v, x, y y z tienen valores desde O hasta 1, con la condición de que x+y sea inferior o igual a 1 ; v, x, y and z have values from O to 1, with the proviso that x + y is less than or equal to 1;

s tiene un valor que oscila entre 0,5 y 1,5; Y 30 s has a value that ranges between 0.5 and 1.5; And 30

d corresponde a desviaciones de sitio con respecto a la estequiometría. d corresponds to site deviations from stoichiometry.

En la fórmula 1, A' Y A" designan cada uno un elemento que sustituye a A en una parte de los sitios A en los óxidos de melal. Además, B' sustituye a B en una parte de los sitios B en 35 el óxido de melal. In formula 1, A 'YA "each designates an element that replaces A at a part of sites A in the melal oxides. In addition, B' substitutes B at a part of sites B at 35 the oxide of melal

5 5
El sitio A en el material de fórmula I puede incluir al menos un elemento metálico seleccionado de itrio (Y), escandia (Se), samario (Sm), gadolinio (Gd ), cerio (Ce), calcio (Ca), magnesio (Mg), aluminio (Al) y bismuto (Si). A' Y N que sustituyen a A como elementos dopantes, pueden incluir un elemento diferente de A, por ejemplo, al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en itrio (Y), sodio (Na), escandia (Se), samario (Sm), gadolinio (Gd), cerio (Ce), calcio (Ca), magnesio (Mg), aluminio (Al) y bismuto (Bi). Site A in the material of formula I may include at least one metallic element selected from yttrium (Y), scandia (Se), samarium (Sm), gadolinium (Gd), cerium (Ce), calcium (Ca), magnesium ( Mg), aluminum (Al) and bismuth (Si). A 'YN that substitute A as doping elements, may include an element other than A, for example, at least one element selected from the group consisting of yttrium (Y), sodium (Na), scandia (Se), samarium (Sm ), gadolinium (Gd), cerium (Ce), calcium (Ca), magnesium (Mg), aluminum (Al) and bismuth (Bi).

10 10
El sitio B en el material de fórmula I puede incluir un elemento metálico seleccionado de zirconio (Zr) y cerio (Ce). B', que sustituye a B como elemento dopante, puede incluir un elemento diferente de B, por ejemplo, un elemento seleccionado de zirconio (Zr) y cerio (Ce). Site B in the material of formula I may include a metal element selected from zirconium (Zr) and cerium (Ce). B ', which replaces B as a doping element, may include an element other than B, for example, an element selected from zirconium (Zr) and cerium (Ce).

15 fifteen
Los compuestos de fórmula (1 ) pueden incluir adiciones de aditivos minoritarias, más en particular óxidos de metal, tales como CaO, Na20 , Ti02, Ab03, Mn20 3, Y20 3, Si02, Fe20 3Y Ce02_ The compounds of formula (1) may include additions of minor additives, more particularly metal oxides, such as CaO, Na20, Ti02, Ab03, Mn20 3, Y20 3, Si02, Fe20 3Y Ce02_

20 twenty
Ejemplos de conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita incluyen Zr02 dopado con Y20 3, Zr02dopado con CaO, Ce02 dopado con Gd20 3, Zr02 dopado con SC20 3, Bb03, Bi20 3 dopado con Y 20 3. Examples of fluorite-related oxygen ion conductor include Zr02 doped with Y20 3, Zr02 doped with CaO, Ce02 doped with Gd20 3, Zr02 doped with SC20 3, Bb03, Bi20 3 doped with Y 20 3.

2S 30 2S 30
El conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita también puede combinarse con metales que tienen puntos de fusión superiores a 900°C, tales como níquel, hierro o cobre con el fin de proporcionar una matriz porosa que conduce iones-electrones mixta. Alternativamente, el conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita también puede combinarse o sustituirse por un óxido de metal de transición de tipo perovskita para proporcionar una matriz porosa que conduce iones-electrones mixta. El óxido de metal de transición de tipo perovskita es un óxido que tiene la misma estructura cristalina que el CaTi03mineral, que normalmente se expresa como AB03en el que los sitios A y B del óxido de metal están sustituidos cada uno con un elemento químico diferente. The fluorite-related oxygen ion conductor can also be combined with metals that have melting points greater than 900 ° C, such as nickel, iron or copper in order to provide a porous matrix that conducts mixed ion-electrons. Alternatively, the fluorite-related oxygen ion conductor can also be combined or substituted by a perovskite-like transition metal oxide to provide a porous matrix that conducts mixed ion-electrons. The transition metal oxide of the perovskite type is an oxide that has the same crystalline structure as the CaTi03mineral, which is normally expressed as AB03 in which sites A and B of the metal oxide are each substituted with a different chemical element.

Más en particular, un óxido de metal de transición de tipo perovskita tiene una fórmula (11): More particularly, a transition metal oxide of the perovskite type has a formula (11):

35 35

en la que: in which:

A Y A' son diferentes entre sí y A Y A' comprenden cada uno independiente al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en estroncio (Sr), itrio (Y), samario (Sm), cerio (Ce), bismuto (Bi), lantano (La), gadolinio (Gd), neodimio (Nd), praseodimio (Pr), calcio (Ca), bario (Ba), magnesio (Mg) y plomo (Pb); AYA 'are different from each other and AYA' each independently comprises at least one element selected from the group consisting of strontium (Sr), yttrium (Y), samarium (Sm), cerium (Ce), bismuth (Bi), lanthanum ( La), gadolinium (Gd), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), calcium (Ca), barium (Ba), magnesium (Mg) and lead (Pb);

B Y B' son diferentes entre sí, y B Y B' comprenden cada uno independiente al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en iones de metal de transición tales como titanio (Ti), vanadio (V), manganeso (Mn), cobalto (Co), hierro (Fe), cromo (Cr), niquel (Ni) o cobre (Cu); y galio (Ga); BYB 'are different from each other, and BYB' each independently comprises at least one element selected from the group consisting of transition metal ions such as titanium (Ti), vanadium (V), manganese (Mn), cobalt (Co) , iron (Fe), chromium (Cr), nickel (Ni) or copper (Cu); and gallium (Ga);

x está entre Oy 1; e x is between Oy 1; and

yestáentreOy1 , and you are between O1,

a, b Y d corresponden a desviaciones de sitio con respecto a la estequiometría. a, b and d correspond to site deviations with respect to stoichiometry.

En la fórmula 11, A' designa un elemento que sustituye a A en una parte de los sitios A en los óxidos de metal para producir un material de tipo n, mejorando la conductividad eléctrica del óxido de metal. Además, B' sustituye a B en una parte de los sitios B en el óxido de metal para producir un material de tipo p, y por tanto los átomos del sitio B varían fácilmente para aumentar la concentración de vacantes de oxígeno. El aumento en la concentración de vacantes de oxígeno proporciona conductividad iónica a un material de tipo perovskita, lo que aumenta el transporte de iones oxígeno a o desde el límite de triple fase en el que se produce una reacción electroquímica. Pueden usarse métodos de preparación específicos para inducir deficiencia de sitio y por tanto para mejorar la actividad electroquímica. In formula 11, A 'designates an element that replaces A at a part of the sites A in the metal oxides to produce a n-type material, improving the electrical conductivity of the metal oxide. In addition, B 'replaces B at a part of the B sites in the metal oxide to produce a p-type material, and therefore the atoms of the B site easily vary to increase the concentration of oxygen vacancies. The increase in the concentration of oxygen vacancies provides ionic conductivity to a perovskite-like material, which increases the transport of oxygen ions to or from the triple phase limit at which an electrochemical reaction occurs. Specific preparation methods can be used to induce site deficiency and therefore to improve electrochemical activity.

El sitio A en el material de fórmula 11 puede incluir al menos un elemento metálico seleccionado de estroncio (Sr), itrio (Y), samario (Sm), cerio (Ce), bismuto (Bi), lantano (La), gadolinio (Gd), neodimio (Nd), praseodimio (Pr), calcio (Ca), bario (Ba), magnesio (Mg) y plomo (Pb). A', que sustituye a A como elemento dopante, puede incluir un donador de electrones diferente de A, por ejemplo, al menos un metal de transición. Por ejemplo, si el sitio A incluye Sr, A' puede incluir al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en itrio (Y), samario (Sm), lantano (La), gadolinio (Gd), neodimio (Nd), praseodimio (Pr), calcio (Ca), magnesio (Mg) y bario (Ba). Site A in the material of formula 11 may include at least one metallic element selected from strontium (Sr), yttrium (Y), samarium (Sm), cerium (Ce), bismuth (Bi), lanthanum (La), gadolinium ( Gd), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), calcium (Ca), barium (Ba), magnesium (Mg) and lead (Pb). A ', which replaces A as a doping element, may include an electron donor other than A, for example, at least one transition metal. For example, if site A includes Sr, A 'may include at least one element selected from the group consisting of yttrium (Y), samarium (Sm), lanthanum (La), gadolinium (Gd), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), calcium (Ca), magnesium (Mg) and barium (Ba).

El sitio B en el material de fórmula 11 puede incluir al menos un elemento metálico seleccionado de titanio (Ti), manganeso, (Mn), cobalto (Ca), hierro (Fe), níquel (Ni), cromo (Cr), vanadio (V), galio (Ga) y cobre (Cu). B', que sustituye a 8 como elemento dopante, puede incluir un aceptar de electrones diferente de B, por ejemplo, al menos un metal de transición o al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en titanio (Ti), manganeso (Mn), cobalto (Ca), hierro (Fe), cromo (Cr), galio (Ga), níquel (Ni) y vanadio (V). Site B in the material of formula 11 may include at least one metallic element selected from titanium (Ti), manganese, (Mn), cobalt (Ca), iron (Fe), nickel (Ni), chromium (Cr), vanadium (V), gallium (Ga) and copper (Cu). B ', which replaces 8 as a doping element, may include an electron acceptor other than B, for example, at least one transition metal or at least one element selected from the group consisting of titanium (Ti), manganese (Mn) , cobalt (Ca), iron (Fe), chromium (Cr), gallium (Ga), nickel (Ni) and vanadium (V).

Ejemplos de estos óxidos de melal de transición de tipo perovskita son (La,Sr)Ti03, (Y,Sr)Ti03, (LaSr)Cr03, (La,Sr)(Cr,V)03, (La,Sr)(Ga,Mn)03, (La,Sr,Ca)(Mn,Cr)03, (La,Sr)(Ti,Mn)03. Examples of these perovskite transitional melal oxides are (La, Sr) Ti03, (Y, Sr) Ti03, (LaSr) Cr03, (La, Sr) (Cr, V) 03, (La, Sr) (Ga , Mn) 03, (La, Sr, Ca) (Mn, Cr) 03, (La, Sr) (Ti, Mn) 03.

Un ejemplo de un material que conduce iones-electrones mixto es un material compuesto de tipo perovskita-f1uorita tal como (SrLa)Ti03 -Ce(La)02_d_ An example of a material that conducts mixed ion-electrons is a composite material of the perovskite-f1uorite type such as (SrLa) Ti03 -Ce (La) 02_d_

El electrodo que contiene metal o anodo del sistema de baterías de metal-aire normalmente no necesita ningún catalizador porque la reacción electroquímica se lleva a cabo en la superficie del propio metal. The metal-containing electrode or anode of the metal-air battery system usually does not need any catalyst because the electrochemical reaction is carried out on the surface of the metal itself.

En una realización particular, el electrodo de metal esta encerrado en una funda de cubierta. Mediante la expresión ''funda de cubierta", debe entenderse una funda diseñada para aislar el electrodo que contiene metal (anodo) de cualquier gas o fuente química. Sin embargo, esta funda debe permitir el contacto del electrodo que contiene metal con el electrolito conductor de iones oxígeno. Por tanto, dicha funda de cubierta esta dotada de un lado abierto a través de cual la funda se fija o se sella al electrolito, permitiendo el contacto de dicho electrolito con el electrodo que contiene metal. In a particular embodiment, the metal electrode is enclosed in a cover sheath. By the term "cover sheath", a sheath designed to isolate the metal-containing electrode (anode) from any gas or chemical source should be understood. However, this sheath must allow the contact of the metal-containing electrode with the conductive electrolyte of oxygen ions Therefore, said cover sheath is provided with an open side through which the sheath is fixed or sealed to the electrolyte, allowing the contact of said electrolyte with the metal-containing electrode.

La funda de cubierta también actúa como una funda de cubierta protectora para proteger dicho electrodo que contiene metal de reacciones que inducen su degradación o desactivación. Por ejemplo, esta funda puede actuar como una cubierta estanca a gases del electrodo de metal, con el fin de minimizar la exposición a cualquier gas, y en particular para evitar su oxidación en contacto con la atmósfera. Esta funda también puede actuar como un separador de camaras y sistema de colector de corriente y/o interconexión. The cover sheath also acts as a protective cover sheath to protect said metal-containing electrode from reactions that induce its degradation or deactivation. For example, this sheath can act as a gas-tight cover of the metal electrode, in order to minimize exposure to any gas, and in particular to prevent its oxidation in contact with the atmosphere. This case can also act as a chamber separator and current collector system and / or interconnection.

Esta funda esta compuesta normalmente por un material electrónicamente conductor de manera que puede formar un cable eléctrico de la batería. La funda puede estar compuesta por cualquier metal que no sea reactivo con los otros componentes del sistema. Con respecto a esto, la funda puede estar compuesta por un metal en aleación, tal como aceros ferríticos con o sin níquel, por ejemplo los comúnmente conocidos como materiales de tipo Crofer. En otra realización , la funda puede estar compuesta por cualquier material conductor This sheath is normally composed of an electronically conductive material so that it can form an electric cable of the battery. The sheath can be composed of any metal that is not reactive with the other components of the system. In this regard, the sheath may be composed of an alloy metal, such as ferritic steels with or without nickel, for example those commonly known as Crofer type materials. In another embodiment, the sheath may be composed of any conductive material.

5 cerámico, no reactivo con los otros componentes. 5 ceramic, not reactive with the other components.

Además, el material electrónicamente conductor puede estar pasivado o recubierto para evitar el envenenamiento por cromo del electrodo de aire o reacciones laterales que inducen degradación. In addition, the electronically conductive material may be passivated or coated to prevent chromium poisoning of the air electrode or side reactions that induce degradation.

En particular, el material electrónicamente conductor se trata (se pasiva) o se recubre preferiblemente para producir una capa protectora que evita la reacción de la funda y el electrodo de metal durante el procesamiento y el funcionamiento del sistema de baterías de metal-aire. La capa protectora incluye óxidos de tipo espinela, por ejemplo espinelas que 15 contienen manganeso y cobalto o manganeso, espinales que contienen cobalto y hierro. Otros ejemplos de capas protectoras incluyen óxidos de tipo perovskita de fórmula 11 , tales como óxidos de tipo perovskita que contienen La-Sr-Fe o La-Sr-Fe-Cu. Ejemplos adicionales incluyen materiales de tipo fluorita tales como Ce02, Y otros óxidos tales como materiales relacionados con Y20 3. Estas capas protectoras pueden generarse "in situ" o pueden In particular, the electronically conductive material is treated (passive) or preferably coated to produce a protective layer that prevents the reaction of the metal sheath and electrode during the processing and operation of the metal-air battery system. The protective layer includes spinel oxides, for example spinels containing manganese and cobalt or manganese, spinals containing cobalt and iron. Other examples of protective layers include perovskite type oxides of formula 11, such as perovskite type oxides containing La-Sr-Fe or La-Sr-Fe-Cu. Additional examples include fluorite type materials such as Ce02, and other oxides such as Y20 3 related materials. These protective layers can be generated "in situ" or can

20 depositarse en la parte superior del material electrónicamente conductor mediante métodos convencionales tales como sinterización reactiva, deposición química en fase de vapor, bombardeo catódico, pulverización, recubrimiento por inmersión, serigrafia y otros. 20 be deposited in the upper part of the electronically conductive material by conventional methods such as reactive sintering, chemical vapor deposition, cathodic bombardment, spraying, immersion coating, screen printing and others.

En otra realización particular, la funda está compuesta por un material eléctricamente 25 aislante, en cuyo caso puede disponerse en el mismo un colector de corriente separado. In another particular embodiment, the sheath is composed of an electrically insulating material, in which case a separate current collector can be arranged therein.

El conjunto de electrodo de metal-funda puede sellarse al electrolito con una combinación de una o más piezas de sellado tales como sellos de vidrio, sellos a base de metal y piezas cerámicas tales como fieltros de tipo alúmina o mica, para proporcionar una funda de The metal-sheath electrode assembly can be electrolyte sealed with a combination of one or more sealing parts such as glass seals, metal based seals and ceramic parts such as alumina or mica type felts, to provide a sheath of

30 cubierta tan estanca como sea posible. 30 cover as tight as possible.

En una realización preferida, dicha funda de cubierta es una funda de cubierta estanca a gases. In a preferred embodiment, said cover sheath is a gas tight cover sheath.

35 Electrodo de aire positivo poroso 35 Porous positive air electrode

El electrodo de aire positivo poroso constituye el cátodo del sistema de baterías de metalaire usado en el método de la invención. Comprende una capa porosa fina compuesta por materiales o materiales compuestos electrónica e iónicamente conductores. Debe ser The porous positive air electrode constitutes the cathode of the metalaire battery system used in the method of the invention. It comprises a thin porous layer composed of electronically and ionically conductive materials or composites. Must be

porosa con el fin de permitir que las moléculas de oxígeno alcancen la superticie de contacto electrodolelectrolito. porous in order to allow oxygen molecules to reach the electrodelectrolyte contact surface.

En una realización preferida de la invención, la capa porosa está compuesta por un óxido de melal de transición de tipo perovskita o materiales compuestos de perovskita con conductores de iones oxígeno relacionados con fluorita, tales como los definidos anteriormente para el electrodo de metal. In a preferred embodiment of the invention, the porous layer is composed of a transitional melal oxide of the perovskite type or perovskite composites with fluorite-related oxygen ion conductors, such as those defined above for the metal electrode.

Más preferiblemente, el óxido de melal de transición de tipo perovskita, o ABOJ, tiene una fórmula (111): More preferably, the transitional melal oxide of the perovskite type, or ABOJ, has a formula (111):

en la que: in which:

Ln es un catión lantanido seleccionado de lantano (La), praseodimio (Pr), neodimio (Nd), samario (Sm) y gadolinio (Gd); Ln is a lanthanum cation selected from lanthanum (La), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm) and gadolinium (Gd);

M es al menos un catión alcalinotérreo seleccionado de calcio (Ca), estroncio (Sr) y bario (Ba); M is at least one alkaline earth cation selected from calcium (Ca), strontium (Sr) and barium (Ba);

B Y B' son diferentes entre sí, y B Y B' comprenden cada uno independiente al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en cobalto (Co), hierro (Fe), cromo (Cr), cobre (Cu) y manganeso (Mn).; B and B 'are different from each other, and B and B' each independently comprise at least one element selected from the group consisting of cobalt (Co), iron (Fe), chromium (Cr), copper (Cu) and manganese (Mn) .;

x e y son las proporciones de combinación de cationes de sitio A y sitio B que oscilan entre O y1; y x e y are the combination ratios of site A and site B cations that range between O and 1; Y

a, b Y d corresponden a desviaciones de sitio atómico con respecto a la estequiometría. a, b and d correspond to atomic site deviations from stoichiometry.

Ejemplos de estos óxidos de metal de transición de tipo perovskita son (LaSr)CoOJ, (La,Sr,Ca)(Mn,Cr)O, y (La,Sr)(Fe,Co)O,. Examples of these perovskite transition metal oxides are (LaSr) CoOJ, (La, Sr, Ca) (Mn, Cr) O, and (La, Sr) (Fe, Co) O ,.

El conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita normalmente comprende un compuesto de fórmula (1) o disoluciones mixtas de dos o más sistemas de óxido tal como se muestra en la fórmula (1): The fluorite-related oxygen ion conductor typically comprises a compound of formula (1) or mixed solutions of two or more oxide systems as shown in formula (1):

[(A,.,.,A',A",)O,I,.,[(B,.,B',)O,J,.d (Fórmula 1) [(A,.,., A ', A ",) O, I,., [(B,., B',) O, J, .d (Formula 1)

en el que in which

A, A' Y A" son diferentes entre sí, y A, A' Y A" comprenden cada uno independiente al menos un elemento mono, di o trivalentes seleccionado de itrio (Y), sodio (Na), escandia (Se), samario (Sm), gadolinio (Gd), cerio (Ce), calcio (Ca), magnesio (Mg), aluminio (Al) y bismuto (B i); A, A 'YA "are different from each other, and A, A' YA" each independently comprise at least one mono, di or trivalent element selected from yttrium (Y), sodium (Na), scandia (Se), samarium ( Sm), gadolinium (Gd), cerium (Ce), calcium (Ca), magnesium (Mg), aluminum (Al) and bismuth (B i);

B Y B' son diferentes entre sí, y B Y B' comprenden cada uno independiente un catión seleccionado de zirconio (Zr) y cerio (Ce). B and B 'are different from each other, and B and B' each independently comprise a cation selected from zirconium (Zr) and cerium (Ce).

v, x, y y z tienen valores desde O hasta 1> con la condición de que x+y sea inferior o igual a 1 ; v, x, y and z have values from O to 1> with the proviso that x + y is less than or equal to 1;

s tiene un valor que oscila entre 0,5 y 1,5; s has a value that ranges between 0.5 and 1.5;

d corresponde a desviaciones de sitio con respecto a la estequiometría. d corresponds to site deviations from stoichiometry.

Los compuestos de fórmula (1) pueden incluir adiciones de aditivos minoritarias, más en particular óxidos de metal, tales como CaO, Na20, Ti02, Ab03, Y203, 8i02, Fe203Y Ce02. The compounds of formula (1) may include additions of minor additives, more particularly metal oxides, such as CaO, Na20, Ti02, Ab03, Y203, 8i02, Fe203Y Ce02.

Los materiales cerámicos usados para elaborar el cátodo no se vuelven eléctrica e iónicamente activos hasta que alcanzan la alta temperatura y, como consecuencia, la batería de metal-aire de la invención tiene que funcionar a temperaturas que oscilan entre The ceramic materials used to make the cathode do not become electrically and ionically active until they reach high temperature and, as a consequence, the metal-air battery of the invention has to operate at temperatures ranging from

300 Y 1000'C. 300 and 1000'C.

En una realización particular, se inserta una barrera en forma de una capa de cerámica entre el cátodo y el electrolito con el fin de impedir la reacción química entre materiales de cátodo y de electrolito y de potenciar los rendimientos electroquímicos. La capa intermedia de barrera está normalmente compuesta por óxidos relacionados con fluorita a base de cerio tal como se describe en la fórmula (1). In a particular embodiment, a barrier in the form of a ceramic layer is inserted between the cathode and the electrolyte in order to prevent the chemical reaction between cathode and electrolyte materials and to enhance the electrochemical yields. The intermediate barrier layer is normally composed of cerium-based fluorite-related oxides as described in formula (1).

Aunque no es esencial para llevar a cabo la presente invención debido a las altas temperaturas a la que funciona la batería de metal-aire, el cátodo puede incluir un material catalítico que facilita la reducción de oxígeno. El catalizador puede o bien mezclarse físicamente con el material que forma el electrodo de aire poroso o bien unirse químicamente al mismo. En el presente documento puede usarse cualquier metal que pueda usarse como material catalizador para un electrodo. En una realización, el metal incluye, pero no se limita a, un metal noble, un óxido de metal, una aleación metálica, un compuesto intermetálico o mezclas de los metales mencionados anteriormente. Metales nobles incluyen plata, platino, paladio, iridio, osmio, rodio y rutenio. Sin embargo, también pueden usarse mezclas o aleaciones de los mismos. Tal catalizador puede usarse o bien de manera individual o bien en combinación, aunque pueden incorporarse igualmente otros materiales catalíticos. Although it is not essential to carry out the present invention due to the high temperatures at which the metal-air battery operates, the cathode may include a catalytic material that facilitates oxygen reduction. The catalyst can either be physically mixed with the material that forms the porous air electrode or chemically bonded thereto. Any metal that can be used as a catalyst material for an electrode can be used herein. In one embodiment, the metal includes, but is not limited to, a noble metal, a metal oxide, a metal alloy, an intermetallic compound or mixtures of the aforementioned metals. Noble metals include silver, platinum, palladium, iridium, osmium, rhodium and ruthenium. However, mixtures or alloys thereof can also be used. Such a catalyst can be used either individually or in combination, although other catalytic materials can also be incorporated.

Adicionalmente, el electrodo de aire poroso también puede encerrarse en una funda que aloja el cátodo y un cable eléctrico asociado. Esta funda puede incluir además soportes de electrodo, estructuras de interconexión y/o recolección de corriente y similares. También puede incluir al menos una abertura para permitir el paso de aire ambiental al cátodo. Additionally, the porous air electrode can also be enclosed in a sheath that houses the cathode and an associated electrical cable. This sheath may also include electrode holders, interconnection and / or current collection structures and the like. It can also include at least one opening to allow the passage of ambient air to the cathode.

En el funcionamiento de la batería de metal-aire, el aire pasa al cátodo. En el cátodo se reduce el oxígeno para formar iones oxígeno, y en el proceso consume electrones. Los iones oxígeno se difunden a través del electrolito de óxido sólido y reaccionan con el metal del ánodo y forman un óxido de metal, generando así electrones que fluyen al cátodo a través de un circuito externo en comunicación con la funda del ánodo y el cable del cátodo. En el funcionamiento de la batería, el metal del ánodo se consume y se convierte en un óxido de metal. Cuando se consume todo el metal, la célula deja de funcionar y debe recargarse eléctricamente para funcionar de nuevo. In the operation of the metal-air battery, the air passes to the cathode. In the cathode, oxygen is reduced to form oxygen ions, and in the process it consumes electrons. The oxygen ions diffuse through the solid oxide electrolyte and react with the anode metal and form a metal oxide, thus generating electrons that flow to the cathode through an external circuit in communication with the anode sheath and the cable of the anode. cathode. In battery operation, the anode metal is consumed and converted into a metal oxide. When all the metal is consumed, the cell stops working and must be electrically recharged to work again.

Electrolito de óxido sólido Solid oxide electrolyte

El electrolito de óxido sólido es una membrana dispuesta entre el electrodo de metal y el electrodo de aire poroso. Una vez convertido el oxígeno molecular en iones oxígeno en el cátodo de aire, dichos iones oxígeno migran a través del electrolito al electrodo de metal (ánodo). Con el fin de que se produzca tal migración, el electrolito debe presentar una alta conductividad iónica. Sin embargo, su conductividad electrónica debe mantenerse lo más baja posible para impedir pérdidas por corrientes de fuga. The solid oxide electrolyte is a membrane disposed between the metal electrode and the porous air electrode. Once the molecular oxygen has been converted into oxygen ions in the air cathode, said oxygen ions migrate through the electrolyte to the metal electrode (anode). In order for such migration to occur, the electrolyte must have a high ionic conductivity. However, its electronic conductivity must be kept as low as possible to prevent leakage current losses.

El electrolito también debe ser estanco a gases para impedir cortocircuitos de especies reactivas a través del mismo y es conveniente que sea lo más delgado posible para minimizar las pérdidas resistivas en el sistema. También debe ser química, térmica y estructuralmente estable a lo largo de un amplio intervalo de temperatura. The electrolyte must also be gas tight to prevent short circuits of reactive species through it and it is desirable that it be as thin as possible to minimize resistive losses in the system. It must also be chemically, thermally and structurally stable over a wide temperature range.

El eleclrolito debe comprender al menos un material seleccionado del grupo que consiste en óxido de zirconio, óxido de cerio y un grupo de perovskita que consiste en galat05 dopados con lantano (LSGM), o cualquier otro material comúnmente usado como materiales de electrolito de SOFC. El electrolito de óxido sólido también puede ser un conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita, tal como zircona estabilizada con itria ("YSZ"), zircona estabilizada con escandia ("ScSZ"), ceria dopada con samaria ("SDC"), ceria dopada con gadolinia ("GDC"), o similares. The eleclrolite must comprise at least one material selected from the group consisting of zirconium oxide, cerium oxide and a perovskite group consisting of galat05 lanthanum doped (LSGM), or any other material commonly used as SOFC electrolyte materials. The solid oxide electrolyte can also be a fluoride-related oxygen ion conductor, such as yttria stabilized zirconia ("YSZ"), scandia stabilized zirconia ("ScSZ"), ceria doped with samaria ("SDC"), ceria doped with gadolinia ("GDC"), or the like.

El conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita comprende normalmente un compuesto de fórmula (1): The fluorite-related oxygen ion conductor typically comprises a compound of formula (1):

[(A, ~,,A",A",)O,] ,~.[(B " B",)O~" (fórmula 1) en la que A, A' Y A" son diferentes entre sí, y A, A' Y A" comprenden cada uno independiente al menos un elemento mono, di o trivalente seleccionado de itrio (Y), sodio (Na), escandio (Se), samario (Sm), gadolinio (Gd), cerio (Ce), calcio (Ca), magnesio (Mg), aluminio (Al) y bismuto (Bi); [(A, ~ ,, A ", A",) O,], ~. [(B "B",) O ~ "(formula 1) in which A, A 'YA" are different from each other, and A, A 'YA "each independently comprises at least one mono, di or trivalent element selected from yttrium (Y), sodium (Na), scandium (Se), samarium (Sm), gadolinium (Gd), cerium (Ce) , calcium (Ca), magnesium (Mg), aluminum (Al) and bismuth (Bi);

B Y S' son diferentes entre sí, y S Y S' comprenden cada uno independiente un catión B and S 'are different from each other, and S and S' each independently comprise a cation

seleccionado de zirconio (Zr) y cerio (Ce); v, x, y y z tienen valores de desde O hasta 1, con la condición de que x+y sea inferior o igual a 1; selected from zirconium (Zr) and cerium (Ce); v, x, y and z have values from 0 to 1, with the proviso that x + y is less than or equal to 1;

s tiene un valor que oscila entre 0,5 y 1,5; d corresponde a desviaciones de sitio con respecto a la estequiometría. s has a value that ranges between 0.5 and 1.5; d corresponds to site deviations from stoichiometry.

Los compuestos de fórmula (1) pueden incluir adiciones menores de aditivos, más en particular óxidos de metal, tales como CaD , Na20 , Ti02, Ab03, Y20 3, 8i02, Fe20 3Y Ce02. The compounds of formula (1) may include minor additions of additives, more in particular metal oxides, such as CaD, Na20, Ti02, Ab03, Y20 3, 8i02, Fe20 3Y Ce02.

Ejemplos de materiales que conducen iones que también pueden usarse como electrolito para el sistema de baterías de metal-aire de la invención son: Examples of materials that conduct ions that can also be used as an electrolyte for the metal-air battery system of the invention are:

(La,Sr ,.,)(Ga,Mg,.,)O,; (ZrÜ2)x(SC01,S)1_x; (Zr02)x(Y01,S)1 _x, (CaO)1_x(Zrü2)x; LaCaAI02, en los que x es un valor de desde O hasta 1, o cualquier otro conductor jónico de tipo fluorita tal como se describió anteriormente. (La, Sr,.,) (Ga, Mg,.,) O ,; (ZrÜ2) x (SC01, S) 1_x; (Zr02) x (Y01, S) 1 _x, (CaO) 1_x (Zrü2) x; LaCaAI02, in which x is a value from 0 to 1, or any other ionic conductor of the fluorite type as described above.

El eleclrolito se prepara mediante métodos comunes conocidos por los expertos en la técnica, particularmente siguiendo procedimientos tales como los usados cuando se fabrican células de combustible de óxido sólido. The eleclrolite is prepared by common methods known to those skilled in the art, particularly by following procedures such as those used when manufacturing solid oxide fuel cells.

Un aspecto adicional de la invención se refiere a una batería de metal-aire que comprende: A further aspect of the invention relates to a metal-air battery comprising:

a) un electrodo negativo que contiene metal; a) a negative electrode containing metal;

b) un electrodo de aire positivo poroso; b) a porous positive air electrode;

c) un electrolito conductor de iones oxígeno; y c) an oxygen ion conducting electrolyte; Y

d) opcionalmente, una capa de cerámica ubicada entre el electrodo de aire positivo poroso y el electrolito conductor de iones oxígeno, d) optionally, a ceramic layer located between the porous positive air electrode and the oxygen ion conducting electrolyte,

en la que el electrolito está en contacto con el electrodo negativo que contiene metal en un lado y con el electrodo de aire positivo poroso en el otro lado, o cuando está presente la capa de cerámica, el electrolito de óxido sólido está en contacto con el electrodo negativo que contiene metal en un lado y con la capa de cerámica en el otro lado, wherein the electrolyte is in contact with the negative electrode containing metal on one side and with the porous positive air electrode on the other side, or when the ceramic layer is present, the solid oxide electrolyte is in contact with the negative electrode containing metal on one side and with the ceramic layer on the other side,

en la que el electrodo que contiene metal está encerrado en una funda de cubierta para aislar el electrodo de cualquier gas o fuente química; wherein the metal-containing electrode is enclosed in a cover sheath to isolate the electrode from any gas or chemical source;

en la que la batería de metal-aire sólo puede recargarse mediante electricidad y funciona a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 300 y aproximadamente 1000°C. in which the metal-air battery can only be recharged by electricity and operates at temperatures ranging between approximately 300 and approximately 1000 ° C.

Los componentes de la batería de metal-aire de la invención, es decir, el electrodo negativo que contiene metal y su funda de cubierta estanca, el electrodo de aire positivo poroso, el electrolito conductor de iones oxígeno; y la capa de cerámica opcional ubicada entre el electrodo de aire positivo poroso y el electrolito conductor de iones oxígeno son aquellos tal como se mencionaron anteriormente en el presente documento. The components of the metal-air battery of the invention, that is, the negative electrode containing metal and its sealed cover sheath, the porous positive air electrode, the oxygen ion conducting electrolyte; and the optional ceramic layer located between the porous positive air electrode and the oxygen ion conducting electrolyte are those as mentioned hereinbefore.

La batería de metal-aire de la invención está caracterizada porque el electrodo que contiene metal (ánodo) está encerrado en una funda de cubierta que permite el contacto del electrodo que contiene metal con el electrolito conductor de iones oxígeno. Tal como se mencionó anteriormente, la funda de cubierta está diseñada para aislar el electrodo que contiene metal de cualquier gas o fuente química de modo que el funcionamiento de la batería sólo puede producirse a través de la carga y descarga electroquímica. La funda de cubierta que encierra el electrodo que contiene metal es lo suficientemente eficiente para garantizar la eficiencia culómbica del sistema de baterías. The metal-air battery of the invention is characterized in that the metal-containing electrode (anode) is enclosed in a cover sheath that allows contact of the metal-containing electrode with the oxygen ion conducting electrolyte. As mentioned earlier, the cover sheath is designed to isolate the metal-containing electrode from any gas or chemical source so that battery operation can only occur through electrochemical charge and discharge. The cover sheath that encloses the metal-containing electrode is efficient enough to guarantee the culómbica efficiency of the battery system.

Preferiblemente, la funda de cubierta es una funda de cubierta estanca a gases que permite producir una eficiencia culómbica de 1. Preferably, the cover sheath is a gas-tight cover sheath that allows to produce a chlombic efficiency of 1.

Por consiguiente, la batería de metal-aire de la invención funciona como dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica y no como dispositivo de conversión de energía y tiene una capacidad de almacenamiento potencial alta ya que no se usa ningún tanque de combustible o suministro de gas para recargar la batería. Accordingly, the metal-air battery of the invention functions as an electrical energy storage device and not as an energy conversion device and has a high potential storage capacity since no fuel tank or gas supply is used for recharge the battery.

El sistema de baterías de metal-aire de la invención puede incluir otros componentes adicionales tales como capas intermedias, capas de contacto, tampones y capas protectoras. Por ejemplo, cuando se usan materiales basados en bismuto como electrolito de óxido sólido, debe colocarse una capa intermedia entre el electrodo que contiene metal y el electrolito con el fin de evitar reacciones entre ambos componentes del sistema de baterías de metal-aire. The metal-air battery system of the invention may include other additional components such as intermediate layers, contact layers, buffers and protective layers. For example, when using bismuth-based materials such as solid oxide electrolyte, an intermediate layer must be placed between the metal-containing electrode and the electrolyte in order to avoid reactions between both components of the metal-air battery system.

En una realización particular de la invención, el electrodo que contiene metal encerrado en la funda de cubierta, el electrolito y el cátodo se incorporan en una funda de batería. Esta funda de batería tiene un orificio de suministro de oxígeno en la proximidad del cátodo para suministrar el oxígeno al cátodo. También incluye terminales de electrodo que se extienden desde el interior hacia el exterior de la funda de batería y que están respectivamente In a particular embodiment of the invention, the metal-containing electrode enclosed in the cover sheath, the electrolyte and the cathode are incorporated into a battery case. This battery case has an oxygen supply hole in the vicinity of the cathode to supply oxygen to the cathode. It also includes electrode terminals that extend from the inside to the outside of the battery case and that are respectively

conectados al cátodo y al ánodo para permitir que la corriente fluya desde un electrodo hacia el otro. connected to the cathode and anode to allow current to flow from one electrode to the other.

Esta funda de batería también puede estar dotada de un gas protector reductor/inerte, tal como argón o nitrógeno, con el fin de impedir la penetración de oxígeno al interior de la funda de cubierta que encierra el electrodo que contiene metal. This battery case may also be provided with a reducing / inert protective gas, such as argon or nitrogen, in order to prevent the penetration of oxygen into the cover case that encloses the metal-containing electrode.

Además, la funda de batería puede diseñarse de tal manera que también incluya distribución de gas para electrodo de aire, para garantizar la recogida de corriente del electrodo de aire con distribución de flujo de aire suficiente para potenciar la reacción electroquímica. In addition, the battery case can be designed in such a way that it also includes gas distribution for air electrode, to ensure the collection of current from the air electrode with sufficient air flow distribution to enhance the electrochemical reaction.

Tal como apreciarán los expertos en la técnica, el sistema de baterías de la presente invención puede implementarse en una variedad de configuraciones y diseños. Puede adoptar un diseño plano (figura 2) en el que se fabrica una estructura plana de cátodo (3), electrolito (1) Y ánodo (2) para formar una célula o batería de metal-aire. La figura 3 ilustra un diseño tubular en el que combustibles metálicos están contenidos dentro de un conjunto tubular para formar una célula. As those skilled in the art will appreciate, the battery system of the present invention can be implemented in a variety of configurations and designs. It can adopt a flat design (figure 2) in which a flat structure of cathode (3), electrolyte (1) and anode (2) is manufactured to form a metal-air cell or battery. Figure 3 illustrates a tubular design in which metallic fuels are contained within a tubular assembly to form a cell.

Debe observarse que en las figuras 2 a 6 de la presente invención el elemento (1) corresponde al electrolito, el elemento (2) al ánodo, el elemento (3) al cátodo, el elemento It should be noted that in Figures 2 to 6 of the present invention the element (1) corresponds to the electrolyte, the element (2) to the anode, the element (3) to the cathode, the element

(4) a la funda de cubierta, el elemento (5) a un colector de corriente y el elemento (6) a un sistema de sellado. (4) to the cover sheath, the element (5) to a current collector and the element (6) to a sealing system.

Pueden apilarse múltiples células o baterías de metal-aire para formar un apilamiento o sistema de módulos. Por tanto, otro aspecto de la presente invención se refiere a un sistema de módulos que comprende al menos dos baterías de metal-aire apiladas tal como se definió anteriormente. Este sistema comprende baterías de metal-aire que repiten unidades apiladas en un módulo con potencia de salida variable dependiendo de la aplicación final. Multiple metal-air cells or batteries can be stacked to form a stack or module system. Therefore, another aspect of the present invention relates to a module system comprising at least two stacked metal-air batteries as defined above. This system comprises metal-air batteries that repeat units stacked in a module with variable output power depending on the final application.

Las unidades de repetición de la batería de metal-aire están conectadas por medio de diseños que minimizan las pérdidas óhmicas y garantizan un flujo de aire suficiente al cátodo de aire. The metal-air battery repeater units are connected by means of designs that minimize ohmic losses and ensure sufficient air flow to the air cathode.

Los materiales usados para interconectar las unidades de repetición de la batería de metal-aire pueden ser metálicos o cerámicos, con el recubrimiento/tratamientos requeridos para garantizar la compatibilidad con otros componentes. The materials used to interconnect the repeating units of the metal-air battery may be metallic or ceramic, with the coating / treatments required to ensure compatibility with other components.

En una realización particular, la funda de cubierta diseñada para aislar el electrodo de metal In a particular embodiment, the cover sheath designed to insulate the metal electrode

y para impedir que se exponga a cualquier gas actúa como colector de corriente y/o and to prevent exposure to any gas acts as a current collector and / or

interconector. Esta funda comprende una parte secundaria conectada al electrodo de aire, interconnector This sheath comprises a secondary part connected to the air electrode,

s s
que actúa como colector de corriente y/o sistema de distribución de gas y/o interconectar which acts as a current collector and / or gas distribution system and / or interconnect

entre células. between cells

El sistema de módulos puede sellarse por medio de pastas y/o fieltros de sellado cerámicos The module system can be sealed by means of pastes and / or ceramic sealing felts

o metálicos que soportan las condiciones de funcionamiento. or metallic that support the operating conditions.

10 10

En una realización particular, el sistema de módulos tiene una configuración plana o tubular. In a particular embodiment, the module system has a flat or tubular configuration.

En la configuración plana (figura 4), el dispositivo electroquímico plano puede soportarse In the flat configuration (figure 4), the flat electrochemical device can be supported

mecánicamente por el electrolito (figura 4a) o por uno de los electrodos (figura 4b) o por un mechanically by the electrolyte (figure 4a) or by one of the electrodes (figure 4b) or by a

material de sustrato inerte (8) de naturaleza o bien metálica o bien cerámica (figura 4c). En inert substrate material (8) of nature or metallic or ceramic (Figure 4c). In

15 fifteen
la configuración tubular, el dispositivo electroquímico tubular puede soportarse the tubular configuration, the tubular electrochemical device can be supported

mecánicamente por el electrolito o por uno de los electrodos o un material de sustrato inerte mechanically by the electrolyte or by one of the electrodes or an inert substrate material

con uno o ambos extremos abiertos. with one or both ends open.

El diseño final dependerá de la aplicación prevista. The final design will depend on the intended application.

20 twenty

Las unidades de repetición de la batería de metal-aire están eléctricamente conectadas The metal-air battery repeater units are electrically connected

entre sí. Las conexiones electroquímicas entre unidades de repetición individuales para each. Electrochemical connections between individual repeating units for

formar el apilamiento o sistema de módulos pueden ser o bien en serie o bien en paralelo. form the stacking or module system can be either in series or in parallel.

25 25
En una realización particular, cada unidad de repetición de la batería de metal-aire, en In a particular embodiment, each repetition unit of the metal-air battery, in

configuración o bien plana o bien tubular, está conectada en paralelo con la unidad de configuration either flat or tubular, is connected in parallel with the unit

repetición de la batería de metal-aire adyacente para formar un haz. El conjunto de haces se Repeat the adjacent metal-air battery to form a beam. The set of beams are

conecta adicionalmente en serie para acumular las especificaciones de potencia específicas. additionally connected in series to accumulate specific power specifications.

30 30
En otra realización particular, cada unidad de repetición de la batería de metal-aire, en In another particular embodiment, each repetition unit of the metal-air battery, in

configuración o bien plana o bien tubular, está conectada en serie con la unidad de configuration either flat or tubular, is connected in series with the unit

repetición de la batería de metal-aire adyacente para formar un haz. El conjunto de haces se Repeat the adjacent metal-air battery to form a beam. The set of beams are

conecta adicionalmente en paralelo o en serie para acumular las especificaciones de additionally connects in parallel or in series to accumulate the specifications of

potencia específicas. specific power

35 35

La figura 5 ilustra ejemplos de unidades de repetición individuales planas apiladas en haces Figure 5 illustrates examples of flat individual repeating units stacked in bundles

con conexiones (7) inlernas o bien en serie o bien en paralelo. Más detalladamente, la figura 5a muestra células planas conectadas en paralelo a través de la funda conductora del ánodo. La conexión en paralelo de los cátodos puede realizarse mediante una placa with connections (7) inlernas either in series or in parallel. In more detail, Figure 5a shows flat cells connected in parallel through the conductive sheath of the anode. The parallel connection of the cathodes can be done by means of a plate

conductora que puede estar perforada, corrugada o diseñada y mecanizada de tal manera que permite conducción eléctrica y flujo de gas suficiente. Este ejemplo puede colocarse de manera vertical para garantizar contacto del ánodo con el electrolito y la funda de metal. Puede conectarse adicionalmente un haz con el siguiente o bien en paralelo o bien en serie según las especificaciones del sistema. La figura 5b muestra una modificación de la configuración plana en la que se introduce una parte conductora adicional que actúa como interconexión del cátodo de una célula con el ánodo de la siguiente célula en conexión de haz en serie. Esta parte adicional puede estar perforada en determinadas regiones, corrugada o diseñada y mecanizada de tal manera que permite conducción eléctrica y flujo de gas suficiente. Puede conectarse adicionalmente un haz al siguiente o bien en paralelo o bien en serie según especificaciones del sistema. conductive that can be perforated, corrugated or designed and mechanized in such a way that it allows electric conduction and sufficient gas flow. This example can be placed vertically to ensure contact of the anode with the electrolyte and metal sheath. A beam with the following can be connected additionally either in parallel or in series according to the system specifications. Figure 5b shows a modification of the flat configuration in which an additional conductive part is introduced that acts as an interconnection of the cathode of a cell with the anode of the next cell in series beam connection. This additional part may be perforated in certain regions, corrugated or designed and machined in such a way that it allows electrical conduction and sufficient gas flow. An additional beam can be connected to the next one either in parallel or in series according to system specifications.

La figura 6a muestra un ejemplo de un haz de sistema tubular con conexiones internas entre células, como opción preferida, en paralelo. Entonces se conectan haces o bien en serie o bien en combinaciones de serie y paralelo con el fin de acumular las especificaciones requeridas del módulo del sistema (figura 6b). Figure 6a shows an example of a tubular system beam with internal connections between cells, as a preferred option, in parallel. Then beams are connected either in series or in series and parallel combinations in order to accumulate the required specifications of the system module (Figure 6b).

Otro aspecto de la presente invención se refiere a un método para fabricar la batería de metal-aire de la presente invención. Dicho método comprende: Another aspect of the present invention relates to a method for manufacturing the metal-air battery of the present invention. Said method comprises:

a) proporcionar un electrolito de óxido sólido tal como se definió anteriormente; a) providing a solid oxide electrolyte as defined above;

b) colocar el electrodo positivo poroso y el electrodo negativo que contiene metal a cada lado del electrolito de óxido sólido; b) place the porous positive electrode and the metal-containing negative electrode on each side of the solid oxide electrolyte;

c) encerrar el electrodo negativo de metal en la funda de cubierta. c) enclose the negative metal electrode in the cover sheath.

Debe observarse que el orden de las etapas b) y c) no está particularmente limitado. Sin embargo, en una realización preferida el electrodo negativo que contiene metal se deposita y procesa sobre el electrolito antes de encerrar el electrodo en la funda de cubierta. It should be noted that the order of stages b) and c) is not particularly limited. However, in a preferred embodiment the negative electrode containing metal is deposited and processed on the electrolyte before enclosing the electrode in the cover sheath.

La estructura obtenida siguiendo las etapas de a) a c) puede instalarse adicionalmente en una funda de batería y sellarse estrechamente para producir la batería de metal-aire. The structure obtained following steps a) to c) can be additionally installed in a battery case and sealed tightly to produce the metal-air battery.

En una realización preferida, esta funda de batería está dotada de un gas protector reductor/inerte, tal como argón o nitrógeno, con el fin de impedir la penetración de oxígeno al interior de la funda de cubierta que encierra el electrodo que contiene metal. In a preferred embodiment, this battery case is provided with a reducing / inert protective gas, such as argon or nitrogen, in order to prevent the penetration of oxygen into the cover case that encloses the metal-containing electrode.

En una realización particular, cuando se fabrica un sistema de baterías de metal-aire con diseño plano, el eleclrolito sólido puede prepararse a partir de formulaciones en polvo mediante colada laminar, colada en barbotina, calandrado laminar y similares. Posteriormente se sinteriza el electrolito a alta temperatura para lograr una densidad completa antes de depositar los electrodos. In a particular embodiment, when a flat-design metal-air battery system is manufactured, the solid eleclrolite can be prepared from powder formulations by laminar casting, slip casting, laminating calendering and the like. Subsequently, the electrolyte is sintered at high temperature to achieve full density before depositing the electrodes.

En otra realización particular, cuando se fabrica un sistema de baterías de metal-aire con diseño tubular, el electrolito sólido puede prepararse mediante extrusión, colada en barbotina, presión isostática y similares. Posteriormente se sinteriza el electrolito a alta temperatura para lograr una densidad completa antes de depositar los electrodos. In another particular embodiment, when a metal-air battery system with tubular design is manufactured, the solid electrolyte can be prepared by extrusion, slip casting, isostatic pressure and the like. Subsequently, the electrolyte is sintered at high temperature to achieve full density before depositing the electrodes.

Preferiblemente, el electrolito sólido se fabrica grueso y denso con el fin de actuar como sustrato o soporte del sistema de baterías. Preferably, the solid electrolyte is made thick and dense in order to act as a substrate or support for the battery system.

En otra realización particular, la etapa b) del procedimiento de la invención se lleva a cabo depositando y procesando en polvo, el electrodo positivo poroso y el electrodo negativo que contiene metal a cada lado del electrolito de óxido sólido. In another particular embodiment, step b) of the process of the invention is carried out by depositing and processing in powder, the porous positive electrode and the metal-containing negative electrode on each side of the solid oxide electrolyte.

La deposición de los electrodos a cada lado del electrolito supone la preparación previa de formulaciones en suspensión que comprenden materiales en polvo que constituyen dichos electrodos. Dichas formulaciones en suspensión pueden prepararse moliendo con medios de zircona los polvos con aglutinantes a base de agua o a base de compuestos orgánicos y aditivos adecuados para lograr una reología adecuada que proporcione microestructuras con objetivos en cuanto a grosor, porosidad y permeación. El material cerámico en polvo usado para fabricar los electrodos puede molerse, calcinarse y tamizarse antes de preparar las suspensiones para la deposición de electrodos. The deposition of the electrodes on each side of the electrolyte involves the prior preparation of suspension formulations comprising powder materials constituting said electrodes. Said suspension formulations can be prepared by grinding with powders of zircona with water-based binders or based on suitable organic compounds and additives to achieve a suitable rheology that provides microstructures with objectives in terms of thickness, porosity and permeation. The ceramic powder material used to make the electrodes can be ground, calcined and sieved before preparing the suspensions for electrode deposition.

Una vez preparadas las formulaciones en suspensión, se lleva a cabo la deposición de los electrodos a cada lado del electrolito mediante colada laminar, calandrado laminar, recubrimiento por inmersión, pulverización, serigrafía, deposición química en fase de vapor, deposición física en fase de vapor, bombardeo catódico, deposición electroforética, sinterización reactiva y similares. Once the suspension formulations have been prepared, the deposition of the electrodes on each side of the electrolyte is carried out by means of laminar casting, laminar calendering, immersion coating, spraying, screen printing, chemical vapor deposition, physical vapor deposition , cathodic bombardment, electrophoretic deposition, reactive sintering and the like.

Una vez depositados los electrodos a cada lado del electrolito de óxido sólido, se someten a un procesamiento en polvo con el fin de obtener un electrodo sólido. Once the electrodes are deposited on each side of the solid oxide electrolyte, they are subjected to a powder processing in order to obtain a solid electrode.

En la etapa de procesamiento en polvo, se ajustan las atmósferas y temperaturas como función de los polvos, la técnica de deposición usada y la geometría o configuración del sistema, pero incluyen atmósferas oxidantes, inertes o reductoras. In the powder processing stage, atmospheres and temperatures are adjusted as a function of the powders, the deposition technique used and the geometry or configuration of the system, but include oxidizing, inert or reducing atmospheres.

Una vez se han ubicado el electrodo positivo poroso y el electrodo negativo que contiene melal a cada lado del electrolito de óxido sólido, se encierra el electrodo que contiene melal en una funda de cubierta. Esta funda de cubierta se fija o sella al electrolito a través de su lado abierto por medio de agentes de sellado, tales como sellos de vidrio, sellos a base de metal y piezas cerámicas tales como fieltros de tipo alúmina o mica, para proporcionar una funda de cubierta tan estanca como sea posible. Once the porous positive electrode and the melal-containing negative electrode on each side of the solid oxide electrolyte have been placed, the melal-containing electrode is enclosed in a cover sheath. This cover sheath is fixed or sealed to the electrolyte through its open side by means of sealing agents, such as glass seals, metal based seals and ceramic pieces such as alumina or mica type felts, to provide a sheath Cover as tight as possible.

Esta manera de colocar los electrodos a cada lado del electrolito es particularmente útil cuando se fabrica un sistema de baterías de metal-aire con diseño plano. This way of placing the electrodes on each side of the electrolyte is particularly useful when manufacturing a flat-design metal-air battery system.

Sin embargo, como alternativa, la etapa b) puede llevarse a cabo depositando en primer lugar y procesando en polvo el electrodo positivo poroso sobre un lado del electrolito de óxido sólido siguiendo un procedimiento como el descrito anteriormente. Posteriormente, se fija o sella la funda de cubierta al bloque de electrolito/cátodo positivo obtenido anteriormente, y entonces se coloca el electrodo negativo de metal previamente obtenido, preferiblemente como electrodo sólido, dentro de la funda de cubierta y se recubre con una tapa sellante. However, as an alternative, step b) can be carried out by first depositing and processing the porous positive electrode on powder on one side of the solid oxide electrolyte following a procedure as described above. Subsequently, the cover sheath is fixed or sealed to the previously obtained positive electrolyte / cathode block, and then the previously obtained negative metal electrode, preferably as a solid electrode, is placed inside the cover sheath and coated with a sealing cap .

Cuando se desea un diseño tubular, la etapa b) se lleva a cabo preferiblemente depositando en primer lugar y procesando en polvo el electrodo positivo poroso sobre un lado del electrolito de óxido sólido siguiendo un procedimiento tal como se describió anteriormente. Posteriormente, se coloca el electrodo negativo de metal previamente obtenido, preferiblemente como electrodo sólido, dentro de un tubo que actúa como una funda de cubierta y entonces se fija en el lado libre del electrolito de óxido sólido. When a tubular design is desired, step b) is preferably carried out by first depositing and processing the porous positive electrode on powder on one side of the solid oxide electrolyte following a procedure as described above. Subsequently, the previously obtained negative metal electrode, preferably as a solid electrode, is placed inside a tube that acts as a cover sheath and then fixed on the free side of the solid oxide electrolyte.

Debido a las excelentes propiedades de la batería de metal-aire de la presente invención, en particular su alta densidad de energía y larga vida cíclica, puede usarse como fuente de 29 Due to the excellent properties of the metal-air battery of the present invention, in particular its high energy density and long cyclic life, it can be used as a source of 29

alimentación de pequeños dispositivos así como fuente de alimentación para aplicaciones en automóviles, tales como vehículos eléctricos y coches híbridos. Además, también puede usarse como dispositivo de almacenamiento de energía para aplicaciones en servicios públicos así como para aplicaciones electrónicas de potencia y en automóviles. power of small devices as well as power supply for applications in cars, such as electric vehicles and hybrid cars. In addition, it can also be used as an energy storage device for applications in public services as well as for electronic power and automobile applications.

La presente invención se describirá ahora en detalle a modo de ejemplos que sirven para ilustrar la construcción y las pruebas de realizaciones ilustrativas. Sin embargo, se entenderá que la presente invención no se limita en absoluto a los ejemplos expuestos a continuación. The present invention will now be described in detail by way of examples that serve to illustrate the construction and tests of illustrative embodiments. However, it will be understood that the present invention is not limited at all to the examples set forth below.

Ejemplo 1 Example 1

Células a escala de laboratorio usando estaño fundido y otros electrodos de metal. Laboratory-scale cells using molten tin and other metal electrodes.

Se usó un electrolito de zircona dopada con itrio (YSZ) fino para depositar un material de A zirconium electrolyte doped with yttrium (YSZ) was used to deposit a material

cátodo de perovskita o perovskita que contiene La-Sr-Fe o La-Sr-Co y se horneó en aire a una temperatura de entre 800 y 1200°C. Se horneó conjuntamente Pt para la recolección de corriente en pruebas a escala de laboratorio. Puede insertarse una capa intermedia de ceria dopada con samario o gadolinio o itrio (SDC, GDC, YDC) entre capas de cátodo y de electrolito durante el procesamiento del sistema de cátodo. Entonces se selló el sistema de electrolito-cátodo usando una pasta sellante a base de cerámica en un tubo de alúmina o cuarzo. Se colocó el material sólido de ánodo de metal de estaño dentro del tubo sobre el lado libre del electrolito. Entonces se colocó el sistema de recolección de corriente de metal, soldado a alambres de Pt antes de la pasivación/recubrimiento, dentro del tubo evitando el contacto con el material de ánodo sólido. Se introdujo gas protector reductor/inerte en el lado del ánodo y se calentó el sistema hasta la temperatura de funcionamiento. Una vez que estaba el material del ánodo en estado fundido, se introdujo el colector de corriente en el ánodo fundido y se inició la operación de descarga/carga con gas inerte o en una realización cerrada. perovskite or perovskite cathode containing La-Sr-Fe or La-Sr-Co and baked in air at a temperature between 800 and 1200 ° C. Pt was baked together for current collection in laboratory scale tests. An intermediate layer of ceria doped with samarium or gadolinium or yttrium (SDC, GDC, YDC) can be inserted between cathode and electrolyte layers during cathode system processing. The electrolyte-cathode system was then sealed using a ceramic-based sealant paste in an alumina or quartz tube. The solid tin metal anode material was placed inside the tube on the free side of the electrolyte. The metal current collection system, welded to Pt wires before passivation / coating, was then placed inside the tube avoiding contact with the solid anode material. Reducing / inert protective gas was introduced on the anode side and the system was heated to operating temperature. Once the anode material was in the molten state, the current collector was introduced into the molten anode and the unloading / loading operation was initiated with inert gas or in a closed embodiment.

Se sometieron a prueba los pertiles de descarga y carga a 800°C. Tal como se muestra en la figura 7, el sistema es electroquímicamente reversible. The discharge and load pertiles at 800 ° C were tested. As shown in Figure 7, the system is electrochemically reversible.

A nivel de la célula de laboratorio, se han sometido a prueba otros materiales como materiales sólidos de ánodo de metal en las condiciones descritas anteriormente. En la siguiente tabla se facilitan valores iniciales de capacidades , medidos a lo largo de un área At the laboratory cell level, other materials such as solid metal anode materials have been tested under the conditions described above. The following table provides initial capacity values, measured throughout an area

bidimensional activa de aproximadamente 2 cm2 para Sn, Sn-W, Bi Y Sn-Mn. Two-dimensional active of approximately 2 cm2 for Sn, Sn-W, Bi and Sn-Mn.

Material de ánodo Anode material
Capacidad (mA·h) Capacity (mA · h)

Sn Sn
30 30

W W
319 319

Bi Bi
168,8 168.8

Sn-Mn Sn-Mn
16 16

Sn-Ti Sn-Ti
30 30

Ejemplo 2 Example 2

Se construyeron células unitarias de repetición individuales usando estaño fundido como electrodo de metal usando el diseño de sistema plano (figura 2a). Individual repeating unit cells were constructed using molten tin as a metal electrode using the flat system design (Figure 2a).

Se usó un electrolito de zircona dopada con itrio (YSZ) fino para depositar un material de A zirconium electrolyte doped with yttrium (YSZ) was used to deposit a material

10 cátodo de perovskita o perovskita que contiene La-Sr-Fe o La-Sr-Co y se horneó en aire a una temperatura de entre 800 y 120QoC. Se horneó conjuntamente Pt para la recolección de corriente en pruebas a escala de laboratorio. Puede insertarse una capa intermedia de ceria dopada con samario o gadolinio o itrio (SDC, GDC, YDC) entre capas de cátodo y de electrolito durante el procesamiento del sistema de cátodo. Entonces se selló el sistema de 10 perovskite or perovskite cathode containing La-Sr-Fe or La-Sr-Co and baked in air at a temperature between 800 and 120QoC. Pt was baked together for current collection in laboratory scale tests. An intermediate layer of ceria doped with samarium or gadolinium or yttrium (SDC, GDC, YDC) can be inserted between cathode and electrolyte layers during cathode system processing. Then the system was sealed

15 electrolito-cátodo usando una cinta sellante de vidrio a un material conductor de manera electrónica, que va a usarse como recipiente para el metal de ánodo sólido. La primera fase de sellado se realizó en aire. Se colocó el ánodo sólido en el recipiente y se cubrió con una tapa metálica sellada con cinta sellante de vidrio. La segunda fase se horneó bajo argón. El sistema es una realización cerrada que impide la fuga de gas. Además, se colocó la célula 15 electrolyte-cathode using a glass sealant tape to an electronically conductive material, to be used as a container for solid anode metal. The first sealing phase was performed in air. The solid anode was placed in the vessel and covered with a metal lid sealed with glass sealing tape. The second phase was baked under argon. The system is a closed embodiment that prevents gas leakage. In addition, the cell was placed

20 bajo gas protector inerte, asegurando que no penetraba oxígeno en el lado del ánodo. La recolección de corriente se realizó directamente mediante el recipiente de metal de ánodo que era un material conductor, en el que se soldaron alambres de Pt antes de la pasivación/recubrimiento del recipiente de metal. Se hizo fluir gas protector reductor/inerte al sistema cerrado y entonces se calentó hasta la temperatura de funcionamiento. Se 20 under inert protective gas, ensuring that no oxygen penetrated the anode side. The current collection was carried out directly by means of the anode metal container, which was a conductive material, in which Pt wires were welded before passivation / coating of the metal container. Reducing / inert protective gas was flowed to the closed system and then heated to operating temperature. Be

25 sometieron a prueba los perfiles de descarga y carga a 800°C. Tal como se muestra en la figura 8, el sistema es electroquímicamente reversible, obteniendo más de 1300 ciclos con una eficiencia del1 00%. 25 tested the discharge and load profiles at 800 ° C. As shown in Figure 8, the system is electrochemically reversible, obtaining more than 1300 cycles with an efficiency of 100%.

Ejemplo 3 Example 3

Se construyeron células unitarias de repetición individuales usando estaño fundido como electrodo de metal usando el diseño de sistema plano (figura 2a). Vía de procesamiento rentable alternativa. Individual repeating unit cells were constructed using molten tin as a metal electrode using the flat system design (Figure 2a). Alternative cost effective processing path.

Se usó un electrolito de zircona dopada con itrio (YSZ) fino para depositar un material de cátodo de perovskita o perovskita que contiene La-Sr-Fe o La-Sr-Co y se horneó en aire a una temperatura de entre 800 y 120QoC. Se horneó conjuntamente Pt para la recolección de corriente en pruebas a escala de laboratorio. Puede insertarse una capa intermedia de eeria 10 dopada con samario o gadolinio o itrio (SDC, GDC, YDC) entre capas de cátodo y de eleclrolito durante el procesamiento del sistema de cátodo. Entonces se selló el sistema de electrolito-cátodo usando una cinta sellante de vidrio a un material conductor de manera electrónica, que va a usarse como recipiente para el metal de ánodo sólido. La primera fase de sellado se realizó en aire. Se colocó el ánodo sólido en el recipiente y se cubrió con una 15 tapa metálica sellada con cinta sellante de vidrio. La segunda fase también se procesó en aire. El sistema es una realización cerrada hermética, en la que no se necesita gas protector inerte. La recolección de corriente se realizó directamente mediante el recipiente de ánodo que era un material conductor, en el que se soldaron alambres de Pt antes de la pasivación/recubrimiento de la funda de cubierta del metal. Se calentó el sistema hasta la A zirconium electrolyte doped with yttrium (YSZ) was used to deposit a perovskite or perovskite cathode material containing La-Sr-Fe or La-Sr-Co and baked in air at a temperature between 800 and 120QoC. Pt was baked together for current collection in laboratory scale tests. An intermediate layer of eeria 10 doped with samarium or gadolinium or yttrium (SDC, GDC, YDC) can be inserted between cathode and eleclrolite layers during cathode system processing. The electrolyte-cathode system was then sealed using a glass sealant tape to an electronically conductive material, which is to be used as a container for the solid anode metal. The first sealing phase was performed in air. The solid anode was placed in the vessel and covered with a metal lid sealed with glass sealing tape. The second phase was also processed in air. The system is a sealed tight embodiment, in which no inert protective gas is needed. The current collection was carried out directly by means of the anode container which was a conductive material, in which Pt wires were welded before the passivation / coating of the metal cover sheath. The system was heated until

20 temperatura de funcionamiento. Se sometieron a prueba los perfiles de descarga y carga a 800°C. Tal como se muestra en la figura 9, el sistema es electroquímicamente reversible, obteniendo más de 500 ciclos con una eficiencia del 100%. Esta alternativa incluye recargado eléctrico completo a 800°C como condicionamiento inicial de la célula. 20 operating temperature. The discharge and load profiles at 800 ° C were tested. As shown in Figure 9, the system is electrochemically reversible, obtaining more than 500 cycles with 100% efficiency. This alternative includes full electric recharging at 800 ° C as initial cell conditioning.

Claims (19)

REIVINDICACIONES ,. Método para el almacenamiento de energía eléctrica, comprendiendo dicho método: a) proporcionar una batería de metal-aire que comprende: . Method for storing electrical energy, said method comprising: a) providing a metal-air battery comprising: 8.1 ) un electrodo negativo que contiene melal (2);  8.1) a negative electrode containing melal (2); a.2) un electrodo de aire positivo poroso (3); a.2) a porous positive air electrode (3); a.3) un eleclrolito conductor de iones oxígeno (1); y a.3) an oxygen ion conducting electrolyte (1); Y a.4) opcionalmente, una capa de cerámica ubicada entre el electrodo de aire positivo poroso (3) y el electrolito conductor de iones oxígeno (1), a.4) optionally, a ceramic layer located between the porous positive air electrode (3) and the oxygen ion conducting electrolyte (1), b) conectar la batería de metal-aire a una fuente de energía eléctrica de modo que dicha batería de metal-aire se recarga eléctricamente, b) connect the metal-air battery to an electric power source so that said metal-air battery is electrically recharged, en el que el electrodo negativo que contiene metal (2) está encerrado en una funda de cubierta (4) para aislar el electrodo de cualquier gas o fuente química, y en el que dicha funda de cubierta (4) está dotada de un lado abierto a través del cual se fija o sella la funda de cubierta al electrolito (1), permitiendo el contacto de dicho electrolito wherein the negative electrode containing metal (2) is enclosed in a cover sheath (4) to isolate the electrode from any gas or chemical source, and in which said cover sheath (4) is provided with an open side through which the cover sheath is fixed or sealed to the electrolyte (1), allowing the contact of said electrolyte (1) con el electrodo que contiene metal (2), (1) with the metal-containing electrode (2), en el que dicho método excluye la conexión de la batería de metal-aire a una fuente de energía química wherein said method excludes the connection of the metal-air battery to a chemical energy source y en el que la batería de metal-aire funciona a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 300 y aproximadamente 1000°C. and in which the metal-air battery operates at temperatures ranging from about 300 to about 1000 ° C. 2. Batería de metal-aire que comprende: a) un electrodo negativo que contiene metal (2); b) un electrodo de aire positivo poroso (3); 2. Metal-air battery comprising: a) a negative electrode containing metal (2); b) a porous positive air electrode (3); e) un electrolito conductor de iones oxígeno (1); y e) an oxygen ion conducting electrolyte (1); Y d) opcionalmente, una capa de cerámica ubicada entre el electrodo de aire positivo poroso (3) y el electrolito conductor de iones oxígeno (1 ), d) optionally, a ceramic layer located between the porous positive air electrode (3) and the oxygen ion conducting electrolyte (1), en la que el electrolito (1) está en contacto con el electrodo negativo que contiene melal (2) en un lado y con el electrodo de aire positivo poroso (3 ) en el otro lado, o cuando está presente la capa de cerámica, el electrolito de óxido sólido (1 ) está en contacto con el electrodo negativo que contiene metal (2) en un lado y con la capa de cerámica en el otro lado, wherein the electrolyte (1) is in contact with the negative electrode containing melal (2) on one side and with the porous positive air electrode (3) on the other side, or when the ceramic layer is present, the solid oxide electrolyte (1) is in contact with the negative electrode containing metal (2) on one side and with the ceramic layer on the other side, en la que el electrodo que contiene metal (2) está encerrado en una funda de in which the electrode containing metal (2) is enclosed in a sheath of cubierta (4) para aislar el electrodo de cualquier gas o cualquier fuente química, y en cover (4) to insulate the electrode from any gas or any chemical source, and in la que la funda de cubierta (4) está dotada de un lado abierto a través del cual se fija which cover sheath (4) is provided with an open side through which it is fixed o sella la funda de cubierta (4) al electrolito (1 ), permitiendo el contacto de dicho electrolito (1 ) con el electrodo que contiene metal (2), estando fabricada dicha funda de cubierta (4) de un material conductor de manera electrónica seleccionado de un metal o un material cerámico, que no reacciona con los otros componentes de la batería, estando dicho material conductor opcionalmente pasivado o recubierto; y or seals the cover sheath (4) to the electrolyte (1), allowing the contact of said electrolyte (1) with the metal-containing electrode (2), said cover sheath (4) being made of a conductive material electronically selected from a metal or ceramic material, which does not react with the other components of the battery, said conductive material being optionally passivated or coated; Y en la que la batería de metal-aire sólo puede recargarse mediante electricidad y in which the metal-air battery can only be recharged by electricity and funciona a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 300 y aproximadamente works at temperatures ranging between approximately 300 and approximately 1000°C. 1000 ° C
3. 3.
Batería de metal-aire según la reivindicación 2, en la que el electrodo negativo que contiene metal (2) comprende al menos un metal, una aleación metálica o un compuesto que contiene metal, en la que el metal, la aleación metálica o el compuesto que contiene metal está en un estado fundido, sólido o semisólido. Metal-air battery according to claim 2, wherein the negative metal-containing electrode (2) comprises at least one metal, a metal alloy or a metal-containing compound, wherein the metal, the metal alloy or the compound Containing metal is in a molten, solid or semi-solid state.
4. Four.
Batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3, en la que el metal se selecciona de estaño, bismuto, galio, hierro, cobre, cobalto, níquel, plomo, magnesio, zinc, antimonio, indio, sodio, litio y aluminio. Metal-air battery according to any of claims 2 or 3, wherein the metal is selected from tin, bismuth, gallium, iron, copper, cobalt, nickel, lead, magnesium, zinc, antimony, indium, sodium, lithium and aluminum.
5. 5.
Batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en la que el metal, la aleación metálica o el compuesto que contiene metal está en un estado fundido o en forma de polvo. Metal-air battery according to any of claims 2 to 4, wherein the metal, the metal alloy or the metal-containing compound is in a molten or powder form.
6. 6.
Batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en la que el electrodo que contiene metal (2) comprende además una matriz porosa que conduce iones o iones-electrones mixta. Metal-air battery according to any of claims 2 to 5, wherein the metal-containing electrode (2) further comprises a porous matrix that conducts mixed ions or ion-electrons.
7. 7.
Batería de metal-aire según la reivindicación 6, en la que el electrodo negativo que contiene melal (2) comprende: una mezcla de: Metal-air battery according to claim 6, wherein the negative electrode containing melal (2) comprises: a mixture of:
1) un metal, aleación metálica o compuesto que contiene polvo metálico, y 2) una fibra o polvo que conduce iones o iones-electrones mixto; 1) a metal, metal alloy or compound containing metal powder, and 2) a fiber or powder that conducts mixed ions or electron ions; o or una mezcla de: a mix of: 1) un metal líquido, aleación metálica o compuesto que contiene metal y 1) a liquid metal, metal alloy or compound containing metal and 2) una fibra o polvo que conduce iones o iones-electrones mixto. 2) a fiber or powder that conducts mixed ions or ion-electrons.
8. Batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en la que la matriz porosa que conduce iones comprende un conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita que comprende un compuesto de fórmula (1): 8. A metal-air battery according to any one of claims 6 to 7, wherein the porous matrix that conducts ions comprises a fluorite-related oxygen ion conductor comprising a compound of formula (1): en la que in which A, A' Y N son diferentes entre sí, y A, A ' Y A" comprenden cada uno independiente al menos un elemento mono, di o trivalente seleccionado de itrio (Y), sodio (Na), escandia (Se), samario (Sm), gadolinio (Gd), eerio (Ce), calcio (Ca), magnesio (Mg), aluminio (Al) y bismuto (Bi); A, A 'YN are different from each other, and A, A' YA "each independently comprise at least one mono, di or trivalent element selected from yttrium (Y), sodium (Na), scandia (Se), samarium (Sm ), gadolinium (Gd), eerium (Ce), calcium (Ca), magnesium (Mg), aluminum (Al) and bismuth (Bi); B y B' son diferentes entre sí, y B Y B' comprenden cada uno independiente un catión B and B 'are different from each other, and B and B' each independently comprise a cation seleccionado de zirconio (Zr) y cerio (Ce); selected from zirconium (Zr) and cerium (Ce); v, x, y y z tienen valores desde O hasta 1, con la condición de que x+y sea inferior o igual a 1; s tiene un valor que oscila entre 0,5 y 1,5; Y d corresponde a desviaciones de sitio con respecto a la estequiometría. v, x, y and z have values from O to 1, with the proviso that x + y is lower or equal to 1; s has a value that ranges between 0.5 and 1.5; Y d corresponds to site deviations from stoichiometry. 9. Batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en la que la matriz porosa que conduce iones-electrones mixta comprende un conductor de iones oxígeno relacionado con Huorita según la reivindicación 8 y/o 9. The metal-air battery according to any of claims 6 to 8, wherein the porous matrix that conducts mixed ion-electrons comprises a Huorite-related oxygen ion conductor according to claim 8 and / or un óxido de metal de transición de tipo perovskita de fórmula (11): a perovskite transition metal oxide of formula (11): en la que: A Y A' son diferentes entre sí y A Y A' son cada uno independientemente al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en estroncio (Sr), itrio (Y), samario in which: A and A 'are different from each other and A and A' are each independently at least one element selected from the group consisting of strontium (Sr), yttrium (Y), samarium (Sm), cerio (Ce), bismuto (8i), lantano (La), gadolinio (Gd), neodimio (Nd), praseodimio (Pr), calcio (Ca), bario (Ba), magnesio (Mg) y plomo (Pb); B Y B' son diferentes entre sí y, B y B' incluyen al menos un elemento seleccionado (Sm), cerium (Ce), bismuth (8i), lanthanum (La), gadolinium (Gd), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), calcium (Ca), barium (Ba), magnesium (Mg) and lead (Pb); B and B 'are different from each other and, B and B' include at least one element selected del grupo que consiste en iones de metal de transición y galio (Ga); x tiene valores desde O hasta 1; y tiene valores desde O hasta 1; a, b Y d corresponden a desviaciones de sitio con respecto a la estequiometría. from the group consisting of transition metal ions and gallium (Ga); x has values from O to 1; and has values from O to 1; a, b and d correspond to site deviations with respect to stoichiometry.
10. 10.
Batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, en la que el electrodo de aire positivo poroso (3) comprende un conductor de electrones e iones oxígeno mixto. Metal-air battery according to any of claims 2 to 9, wherein the porous positive air electrode (3) comprises a mixed oxygen electron and ion conductor.
11. eleven.
Batería de metal-aire según la reivindicación 10, en la que el conductor de electrones e iones oxígeno mixto comprendido en el electrodo positivo de aire poroso está compuesto por: Metal-air battery according to claim 10, wherein the mixed oxygen electron and ion conductor comprised in the positive porous air electrode is composed of:
un óxido de metal de transición de tipo perovskita de fórmula (111): a perovskite transition metal oxide of formula (111): en la que: in which: Ln es un catión lantánido seleccionado de lantano (La), praseodimio (Pr), neodimio (Nd), samario (Sm) y gadolinio (Gd ); Ln is a lanthanide cation selected from lanthanum (La), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm) and gadolinium (Gd); M es al menos un catión alcalinotérreo seleccionado de calcio (Ca), estroncio (Sr) y bario (Ba); M is at least one alkaline earth cation selected from calcium (Ca), strontium (Sr) and barium (Ba); B Y B' son diferentes entre sí, y B Y B' incluyen al menos un elemento seleccionado de cobalto (Ca), hierro (Fe), cromo (Cr), cobre (Cu) y manganeso (Mn); B and B 'are different from each other, and B and B' include at least one element selected from cobalt (Ca), iron (Fe), chromium (Cr), copper (Cu) and manganese (Mn); x e y son las proporciones de la combinación de cationes de sitio A y sitio B que oscilan entre O y 1; Y x e y are the proportions of the combination of site A and site B cations ranging from O to 1; Y a, b Y d corresponden a desviaciones de sitio atómico con respecto a la estequiometría. a, b and d correspond to atomic site deviations from stoichiometry. o or un material compuesto de un óxido de metal de transición de tipo perovskita tal como a composite of a perovskite transition metal oxide such as se definió anteriormente con un conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita previously defined with a fluorite-related oxygen ion conductor de fórmula (1): of formula (1): [(A,.,.,A',A"y)O,I,.,[(B,.,B',)O' ],.d (Fórmula 1) [(A,.,., A ', A "and) O, I,., [(B,., B',) O '] ,. d (Formula 1) en la que in which A, A' Y A" son diferentes entre sí, y A, A' Y A" comprenden cada uno independiente al A, A 'and A "are different from each other, and A, A' and A" each comprise independent of menos un elemento mono, di o trivalente seleccionado de itrio (Y), sodio (Na), minus a mono, di or trivalent element selected from yttrium (Y), sodium (Na), escandio (Se), samario (Sm), gadolinio (Gd), cerio (Ce), calcio (Ca), magnesio (Mg), scandium (Se), samarium (Sm), gadolinium (Gd), cerium (Ce), calcium (Ca), magnesium (Mg), aluminio (Al) y bismuto (Bi); aluminum (Al) and bismuth (Bi); By 8' son diferentes entre sí, y 8 Y B' comprenden cada uno independiente un catión seleccionado de zirconio (Zr) y cerio (Ce); By 8 'are different from each other, and 8 and B' each independently comprise a cation selected from zirconium (Zr) and cerium (Ce); v, x, y y z tienen valores desde O hasta 1, con la condición de que x+y sea inferior o igual a 1; v, x, y and z have values from O to 1, with the proviso that x + y is less than or equal to 1; s tiene un valor que oscila entre 0,5 y 1,5; s has a value that ranges between 0.5 and 1.5; d corresponde a desviaciones de sitio con respecto a la estequiometría. d corresponds to site deviations from stoichiometry.
12. Batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11 , en la que el electrolito conductor de iones oxígeno (1) es un conductor de iones oxígeno relacionado con fluorita de fórmula (1): 12. A metal-air battery according to any of claims 2 to 11, wherein the oxygen ion conducting electrolyte (1) is a fluorite-related oxygen ion conductor of formula (1): [(A,.,.,A',A"y)O,I,.,[(B,.,B'y)O,J,.d (Fórmula 1) [(A,.,., A ', A "and) O, I,., [(B,., B'y) O, J, .d (Formula 1) en la que in which A, A' Y AH son diferentes entre sí, y A, A' Y A" comprenden cada uno independiente al menos un elemento mono, di o trivalente seleccionado de itrio (Y), sodio (Na), escandio (Se), samario (Sm), gadolinio (Gd), cerio (Ce), calcio (Ca), magnesio (Mg), aluminio (Al) y bismuto (Bi); A, A 'and AH are different from each other, and A, A' YA "each independently comprise at least one mono, di or trivalent element selected from yttrium (Y), sodium (Na), scandium (Se), samarium ( Sm), gadolinium (Gd), cerium (Ce), calcium (Ca), magnesium (Mg), aluminum (Al) and bismuth (Bi); B y B' son diferentes entre sí, y B Y B' comprenden cada uno independiente un catión seleccionado de zirconio (Zr) y cerio (Ce). B and B 'are different from each other, and B and B' each independently comprise a cation selected from zirconium (Zr) and cerium (Ce). v, x, y y z tienen valores desde O hasta 1, con la condición de que x+y sea inferior o igual a 1; v, x, y and z have values from O to 1, with the proviso that x + y is less than or equal to 1; s tiene un valor que oscila entre 0,5 y 1,5; s has a value that ranges between 0.5 and 1.5; d corresponde a desviaciones de sitio con respecto a la estequiometría. d corresponds to site deviations from stoichiometry.
13. 13.
Sistema de módulos que comprende al menos dos baterías de metal-aire apiladas según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12. Module system comprising at least two stacked metal-air batteries according to any one of claims 2 to 12.
14. 14.
Batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12 o sistema de módulos según la reivindicación 13, que está diseñado en forma plana o tubular. Metal-air battery according to any of claims 2 to 12 or module system according to claim 13, which is designed flat or tubular.
15. fifteen.
Método para fabricar el sistema de baterías de metal-aire según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12, comprendiendo dicho método: Method for manufacturing the metal-air battery system according to any one of claims 2 to 12, said method comprising:
proporcionar un electrolito conductor de iones oxígeno (1) tal como se definió anteriormente; providing an oxygen ion conducting electrolyte (1) as defined above; colocar el electrodo de aire positivo poroso (3) y el electrodo negativo que contiene metal (2) a cada lado del electrolito de óxido sólido; place the porous positive air electrode (3) and the metal-containing negative electrode (2) on each side of the solid oxide electrolyte; encerrar el electrodo negativo de metal en la funda de cubierta estanca (4). enclose the negative metal electrode in the waterproof cover (4).
16. 16.
Método para el almacenamiento de energía eléctrica, comprendiendo dicho método: a) proporcionar una batería de metal-aire según las reivindicaciones 2 a 12; b) conectar la batería de metal-aire a una fuente de energía eléctrica de modo Method for storing electrical energy, said method comprising: a) providing a metal-air battery according to claims 2 to 12; b) connect the metal-air battery to an electrical power source so
que dicha batería de metal-aire se recarga eléctricamente, en el que dicho método excluye la conexión de la batería de metal-aire a una fuente de energía química. that said metal-air battery is electrically recharged, wherein said method excludes the connection of the metal-air battery to a chemical energy source.
17. 17.
Uso de la batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12 o sistema de módulos según la reivindicación 13, como fuente de alimentación para aplicaciones en servicios públicos así como fuente de alimentación para aplicaciones electrónicas de potencia y en automóviles. Use of the metal-air battery according to any of claims 2 to 12 or module system according to claim 13, as a power supply for applications in public services as well as a power supply for electronic power and automobile applications.
18. 18.
Uso de la batería de metal-aire según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12 o sistema de módulos según la reivindicación 13, como dispositivo de almacenamiento de energía para aplicaciones en servicios públicos así como para aplicaciones Use of the metal-air battery according to any of claims 2 to 12 or module system according to claim 13, as an energy storage device for applications in public services as well as for applications
electrónicas de potencia y en automóviles. Power electronics and cars.
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