ITRM20100017A1 - ELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE FOR CHEMICAL CELLS - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO DI ACCUMULO DI ENERGIA ELETTRICA A CELLE ELETTROCHIMICHE ELECTRICAL ENERGY STORAGE DEVICE WITH ELECTROCHEMICAL CELLS
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
L’invenzione concerne il settore dei dispositivi di accumulo di energia elettrica a celle elettrochimiche. The invention concerns the sector of electrical energy storage devices with electrochemical cells.
Più in dettaglio concerne una batteria ricaricabile mediante collegamento alla rete elettrica, costituita da una pluralità di celle elettrochimiche elementari collegate in serie tra loro. More in detail, it concerns a rechargeable battery through connection to the electrical network, consisting of a plurality of elementary electrochemical cells connected in series.
E’ noto come i dispositivi di accumulo di energia elettrica ricaricabili, definiti comunemente accumulatori, siano costituiti da una pluralità di celle elettrochimiche collegate in serie al fine di ottenere la tensione richiesta dal campo di applicazione dei medesimi. It is known that rechargeable electrical energy storage devices, commonly defined accumulators, are made up of a plurality of electrochemical cells connected in series in order to obtain the voltage required by the field of application of the same.
E’ altresì noto come i valori di potenza, ed i valori di energia, specifici di tali dispositivi siano strettamente dipendenti dalle reazioni di ossido riduzione sviluppate all’ interno delle celle elettrochimiche degli stessi. It is also known that the power values, and the energy values, specific to these devices are strictly dependent on the redox reactions developed inside the electrochemical cells of the same.
E’ ulteriormente nota l’ampia diffusione di dispositivi di accumulo di energia elettrica comprendenti celle elettrochimiche di tipo bi-metallico o di tipo metallo-aria. The widespread diffusion of electrical energy storage devices including electrochemical cells of the bi-metallic or metal-air type is further known.
Le soluzioni tecnologiche comunemente adottate per la realizzazione di accumulatori a celle bi-metalliche prevedono che le stesse siano costituite da una coppia di elettrodi metallici, a differente grado di nobiltà , immersi in un apposito elettrolita. The technological solutions commonly adopted for the realization of accumulators with bi-metallic cells foresee that the same are constituted by a pair of metal electrodes, with different degree of nobility, immersed in a suitable electrolyte.
Le coppie elettrochimiche utilizzate per la realizzazione di dette celle bi-metalliche sono scelte preferibilmente tra: ferro-nichel, cadmio-nichel, metalli idruri-nichel, zinco-nichel, alluminio-nichel, ferro-argento, cadmioargento, metalli idruri-argento, zinco-argento, alluminio-argento, ed altre. The electrochemical pairs used for the realization of said bi-metallic cells are preferably chosen among: iron-nickel, cadmium-nickel, hydride-nickel metals, zinc-nickel, aluminum-nickel, iron-silver, cadmium silver, hydride-silver metals, zinc-silver, aluminum-silver, and others.
Gli accumulatori a celle bi-metalliche sono contraddistinti da: Accumulators with bi-metallic cells are characterized by:
- elevati valori di potenza specifica, determinati dall’elevata densità di corrente ottenibile dagli elettrodi metallici, in presenza di modeste sovratensioni; - high specific power values, determined by the high current density obtainable from the metal electrodes, in the presence of modest overvoltages;
- bassi valori di energia specifica, determinati dal peso del materiale attivo degli elettrodi e dalla bassa percentuale di materiale attivo contenuto negli elettrodi delle celle medesime, e di conseguenza partecipante alla reazione di ossidoriduzione alla base del funzionamento dei suddetti dispositivi; - low values of specific energy, determined by the weight of the active material of the electrodes and by the low percentage of active material contained in the electrodes of the cells themselves, and consequently participating in the redox reaction underlying the operation of the aforementioned devices;
- facilità di ricarica per via elettrica con buona efficienza. - ease of electric charging with good efficiency.
Gli accumulatori, basati sull’uso di celle bimetalliche, denotano gli inconvenienti di avere un basso rapporto energia/peso e di contenere metalli pesanti da smaltire in apposite discariche. Accumulators, based on the use of bimetallic cells, show the drawbacks of having a low energy / weight ratio and of containing heavy metals to be disposed of in special landfills.
Le soluzioni tecnologiche comunemente adottate per la realizzazione di accumulatori a celle metallo-aria prevedono invece che le stesse siano costituite da un elettrodo metallico (anodo) e da due elettrodi del tipo a diffusione di gas, separati da un apposito elettrolita, in modo tale da realizzare una struttura a sandwich. L’elettrodo a diffusione di gas à ̈ tale da consentire all’ossigeno dell’aria di ridursi realizzando una reazione di tipo catodico in dette celle elettrochimiche. The technological solutions commonly adopted for the production of metal-air cell accumulators, on the other hand, provide that the same are made up of a metal electrode (anode) and two electrodes of the gas diffusion type, separated by a suitable electrolyte, so as to make a sandwich structure. The gas diffusion electrode is such as to allow the oxygen in the air to be reduced, creating a cathodic type reaction in said electrochemical cells.
Le coppie elettrochimiche utilizzate per la realizzazione di dette celle metallo-aria sono scelte preferibilmente tra: ferro-ossigeno, cadmioossigeno, metalli idruri ossigeno, zinco-ossigeno, alluminio-ossigeno, magnesio-ossigeno, ed altre. The electrochemical pairs used for making said metal-air cells are preferably selected from: iron-oxygen, cadmium-oxygen, metal hydrides oxygen, zinc-oxygen, aluminum-oxygen, magnesium-oxygen, and others.
Gli accumulatori a celle metallo-aria sono contraddistinti da: Metal-air cell accumulators are characterized by:
- bassi valori di potenza specifica, determinati dalle elevate sovratensioni generate, in presenza di elevate densità di corrente, dagli elettrodi a diffusione di gas delle singole celle elettrochimiche; - alti valori di capacità energetica specifica, determinati dal fatto che il materiale catodico attivo, ove detto materiale risulta essere l’ossigeno dell’aria, à ̈ reperito nell’ambiente e non deve quindi essere inserito all’ interno della struttura della singola cella elettrochimica. - low specific power values, determined by the high overvoltages generated, in the presence of high current densities, by the gas diffusion electrodes of the individual electrochemical cells; - high values of specific energy capacity, determined by the fact that the active cathode material, where said material is the oxygen of the air, is found in the environment and therefore must not be inserted inside the structure of the single electrochemical cell.
Tali accumulatori, contraddistinti positivamente da un buon rapporto energia/peso, da un basso costo di produzione, e dall’assenza di metalli pesanti da smaltire in discarica, presentano i seguenti inconvenienti: These accumulators, positively characterized by a good energy / weight ratio, a low production cost, and the absence of heavy metals to be disposed of in landfills, have the following drawbacks:
- sono soggetti a surriscaldamenti dovuti alle sovratensioni generate dagli elettrodi a diffusione di gas, richiedendo appositi mezzi di dissipazione del calore; - are subject to overheating due to overvoltages generated by the gas diffusion electrodes, requiring special means of heat dissipation;
- sono soggetti alla formazione di carbonati nell’elettrolita, sempre alcalino, a causa dell’ anidride carbonica (biossido di carbonio, C02) contenuta nell’aria, richiedendo appositi mezzi di filtraggio e separazione della stessa; - they are subject to the formation of carbonates in the electrolyte, always alkaline, due to the carbon dioxide (carbon dioxide, C02) contained in the air, requiring special filtering and separation media;
- possono essere ricaricati esclusivamente attraverso appositi procedimenti di tipo industriale, comprendenti la rigenerazione dell’anodo metallico, non ricaricabile elettricamente all’ interno della cella, a causa del rapido deterioramento degli elettrodi a diffusione di gas, quando usati per la ricarica per realizzare la cosiddetta reazione di evoluzione dell’ossigeno. - they can be recharged only through specific industrial-type procedures, including the regeneration of the metal anode, which is not electrically rechargeable inside the cell, due to the rapid deterioration of the gas diffusion electrodes, when used for recharging to create the so-called oxygen evolution reaction.
E’ scopo della presente invenzione la realizzazione di un dispositivo di accumulo di energia elettrica, a celle elettrochimiche, che assommi le sole caratteristiche positive dei dispositivi summenzionati. The purpose of the present invention is to provide an electrical energy storage device, with electrochemical cells, which combines the only positive characteristics of the aforementioned devices.
Lo scopo à ̈ raggiunto attraverso un dispositivo di accumulo di energia elettrica a celle elettrochimiche, ove dette celle elettrochimiche comprendono, in una struttura a sandwich: The purpose is achieved through an electrical energy storage device with electrochemical cells, where said electrochemical cells comprise, in a sandwich structure:
- un anodo metallico; - a metal anode;
- una coppia di elettrodi a diffusione di gas; - a pair of gas diffusion electrodes;
- un elettrolita alcalino, - an alkaline electrolyte,
caratterizzato dal fatto che dette celle comprendono inoltre una coppia di catodi metallici interposti tra detto anodo metallico e detta coppia di elettrodi a diffusione di gas. characterized in that said cells further comprise a pair of metal cathodes interposed between said metal anode and said pair of gas diffusion electrodes.
L’invenzione presenta vantaggi numerosi e rilevanti: The invention has numerous and relevant advantages:
- consente di realizzare accumulatori elettrochimici in grado di operare come batterie bi-metalliche, nel momento in cui siano richiesti elevati valori di potenza specifica, e come batterie metallo-aria, nel momento in cui siano richiesti modesti valori di potenza specifica; - consente di realizzare accumulatori elettrochimici dotati di elevati valori di potenza ed energia specifica; - allows to create electrochemical accumulators capable of operating as bi-metal batteries, when high specific power values are required, and as metal-air batteries, when modest specific power values are required; - it allows to realize electrochemical accumulators with high values of power and specific energy;
- consente di realizzare accumulatori elettrochimici facilmente ricaricabili; - allows to create easily rechargeable electrochemical accumulators;
- consente di realizzare accumulatori elettrochimici che non necessitano di apparati accessori (mezzi di dissipazione di calore, mezzi di filtraggio dell’ aria, ecc.); - it allows to create electrochemical accumulators that do not require accessory devices (means of heat dissipation, means of air filtering, etc.);
- consente di realizzare accumulatori elettrochimici di lunga durata, di peso ed ingombro contenuto, e che non necessitano di manutenzione particolare. - it allows to realize long-lasting electrochemical accumulators, of limited weight and dimensions, and which do not require particular maintenance.
Ulteriori caratteristiche del trovato risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione più dettagliata esposta nel seguito, con l’aiuto dell’acclusa figura 1 che mostra, in esploso assonometrico schematico, la conformazione strutturale di una cella elettrochimica base a triplice tipologia di elettrodo, illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo. Further characteristics of the invention will become more evident from the more detailed description set out below, with the help of the attached figure 1 which shows, in schematic axonometric exploded view, the structural conformation of a basic electrochemical cell with triple type of electrode, illustrated in an illustrative and non-limiting title.
In relazione a tale figura 1, i dispositivi di accumulo di energia elettrica oggetto della presente invenzione comprendono celle elettrochimiche definibili come a triplice tipologia di elettrodo, costituite essenzialmente da: In relation to this figure 1, the electrical energy storage devices object of the present invention comprise electrochemical cells which can be defined as having a triple type of electrode, essentially consisting of:
- un anodo metallico 1, realizzato con materiali scelti preferibilmente tra ferro, cadmio, metalli idruri, zinco, alluminio, magnesio, ed altri; - una coppia di catodi metallici 2, realizzati attraverso la deposizione di materiali catodici attivi su una struttura in schiuma di materiale conduttore inerte, come il nichel, il carbonio, l’acciaio inox, ecc.; - una coppia di elettrodi a diffusione di gas 3, costituiti da strutture porose composte da polveri di carbonio, disperse in una matrice polimerica idrorepellente, eventualmente ricoperte da appositi catalizzatori; - a metal anode 1, made with materials preferably selected from iron, cadmium, metal hydrides, zinc, aluminum, magnesium, and others; - a pair of metal cathodes 2, made by depositing active cathode materials on a foam structure of inert conductive material, such as nickel, carbon, stainless steel, etc .; - a pair of gas diffusion electrodes 3, consisting of porous structures composed of carbon powders, dispersed in a water-repellent polymeric matrix, possibly covered with suitable catalysts;
- una soluzione di un elettrolita alcalino di tipo noto, interposta tra i succitati elementi. - a solution of an alkaline electrolyte of a known type, interposed between the aforementioned elements.
Conformemente all’ invenzione, una cella elettrochimica a triplice tipologia di elettrodo comprendente, a titolo di esempio: In accordance with the invention, an electrochemical cell with a triple type of electrode comprising, by way of example:
- un anodo metallico 1, realizzato in ferro; - a metal anode 1, made of iron;
- una coppia di catodi metallici 2, realizzati con ossi-idrossido di nichel depositato su una struttura in schiuma di nichel; - a pair of metal cathodes 2, made with nickel oxyhydroxide deposited on a nickel foam structure;
- una coppia di elettrodi a diffusione di gas 3; - a pair of gas diffusion electrodes 3;
- un elettrolita alcalino di tipo noto, scelto tra KOH o NaOH; presenta le seguenti reazioni in scarica nel momento in cui siano richiesti modesti valori di potenza specifica: - an alkaline electrolyte of a known type, selected from KOH or NaOH; shows the following reactions in discharge when modest specific power values are required:
- anodo metallico 1 : Fe 2 OH<">= Fe(OH)2+ 2e<'>; - metal anode 1: Fe 2 OH <"> = Fe (OH) 2+ 2e <'>;
- elettrodi a diffusione di gas 3 : 1⁄2 02+ H20 2e<'>= 2 OFT ; - gas diffusion electrodes 3: 1⁄2 02+ H20 2e <'> = 2 OFT;
e le seguenti reazioni in scarica nel momento in cui siano richiesti elevati valori di potenza specifica: and the following reactions in discharge when high specific power values are required:
- anodo metallico 1 : Fe 2 OH<">= Fe(OH)2+ 2e<'>; - metal anode 1: Fe 2 OH <"> = Fe (OH) 2+ 2e <'>;
- catodi metallici 2: 2NÌOOH 2e<'>= 2NiO 2 OFT ; operando di fatto tra gli elettrodi 1-3 come una batteria metallo-aria e tra gli elettrodi 1-2 come una comune batteria bi-metallica Fe-Ni, in modo tale da conferire all’accumulatore da essa derivante le caratteristiche positive di entrambi i dispositivi. - metal cathodes 2: 2NÌOOH 2e <'> = 2NiO 2 OFT; actually operating between electrodes 1-3 as a metal-air battery and between electrodes 1-2 as a common bi-metal Fe-Ni battery, in such a way as to give the accumulator deriving from it the positive characteristics of both the devices.
Allo scopo di determinare il corretto svolgimento delle reazioni elettrochimiche suddescritte à ̈ necessario che i catodi metallici 2 abbiano le seguenti caratteristiche: In order to determine the correct carrying out of the above described electrochemical reactions it is necessary that the metal cathodes 2 have the following characteristics:
- non devono ostacolare il passaggio degli ioni dell’ elettrolita, allo scopo di non alterare la resistenza ohmica della cella quando la stessa opera tra l’anodo metallico 1 e gli elettrodi a diffusione di gas 3; - devono avere una capacità coulombica inferiore a quella dell’anodo metallico 1, dovendo provvedere solo a quella parte di energia erogata ad elevata potenza; - they must not obstruct the passage of the electrolyte ions, in order not to alter the ohmic resistance of the cell when it operates between the metal anode 1 and the gas diffusion electrodes 3; - they must have a coulombic capacity lower than that of the metal anode 1, having to provide only that part of the energy supplied at high power;
- devono erogare corrente solo quando la potenza richiesta superi un determinato valore di soglia, dipendente dalle caratteristiche degli elettrodi a diffusione di gas 3. - they must supply current only when the required power exceeds a certain threshold value, depending on the characteristics of the gas diffusion electrodes 3.
Le modeste densità di corrente generate dagli elettrodi a diffusione di gas 3 di detta cella, durante le suddescritte reazioni di scarica a bassa potenza, permettono di evitare il surriscaldamento della medesima, limitandone le relative sovratensioni. The modest current densities generated by the gas diffusion electrodes 3 of said cell, during the aforementioned low-power discharge reactions, make it possible to avoid overheating of the same, limiting its relative overvoltages.
Permettono, inoltre, di evitare che la formazione di carbonati nell’elettrolita porti all’ostruzione della struttura porosa degli elettrodi a diffusione di gas 3, come invece avviene comunemente qualora siano erogate elevate densità di corrente, alterando così il corretto funzionamento di tali elettrodi 3. They also make it possible to prevent the formation of carbonates in the electrolyte leading to obstruction of the porous structure of the gas diffusion electrodes 3, as is commonly the case when high current densities are supplied, thus altering the correct functioning of these electrodes 3.
Tutto ciò consente la realizzazione di celle elettrochimiche, ed accumulatori da esse derivanti, che, a fronte di un ottimale rendimento in scarica, presentano peso ed ingombro contenuto in quanto non richiedono accessori ausiliari quali mezzi di dissipazione del calore o mezzi di filtraggio dell’aria. All this allows the creation of electrochemical cells, and accumulators deriving from them, which, in the face of an optimal discharge efficiency, have a limited weight and bulk as they do not require auxiliary accessories such as means of heat dissipation or filtering means of the air.
Le reazioni elettrochimiche sopra evidenziate risultano inoltre perfettamente reversibili. The electrochemical reactions highlighted above are also perfectly reversible.
La cella elettrochimica sopra descritta presenta perciò le seguenti reazioni in carica, nel momento in cui sia disponibile ossido di nichel (NiO) sui catodi metallici 2: The electrochemical cell described above therefore exhibits the following reactions in charge, when nickel oxide (NiO) is available on the metal cathodes 2:
anodo metallico 1 : Fe(OH)2+ 2e = Fe 2 OH-; metal anode 1: Fe (OH) 2+ 2e = Fe 2 OH-;
catodi metallici 2: 2NiO 2 OH<'>= 2NÃŒOOH 2e ; metal cathodes 2: 2NiO 2 OH <'> = 2NÃŒOOH 2e;
e le seguenti reazioni, sempre in fase di carica, nel momento in cui sia esaurito l’ossido di nichel (NiO) dei catodi metallici 2: and the following reactions, always in the charging phase, when the nickel oxide (NiO) of the metal cathodes 2 is exhausted:
anodo metallico 1 : Fe(OH)2+ 2e = Fe 2 OH<">; metal anode 1: Fe (OH) 2+ 2e = Fe 2 OH <">;
catodi metallici 2: 2 OFT= 1⁄2 02+ H20 2e\ metal cathodes 2: 2 OFT = 1⁄2 02+ H20 2e \
L’utilizzo del catodo metallico 2 per la ricarica della suddetta cella permette di ricaricare l’anodo metallico 1 della medesima, come in una normale batteria bi-metallica Fe-Ni, fino all’esaurimento della capacità coulombica del catodo 2 stesso, e permette di completare tale ricarica attraverso la reazione di evoluzione dell’ossigeno realizzata attraverso i suddetti catodi metallici 2, senza coinvolgere nel processo gli elettrodi a diffusione di gas 3 allo scopo di evitarne il conseguente deterioramento, determinando così la completa ricaricabilità per via elettrica della suddetta cella e, di conseguenza, degli accumulatori realizzati con una pluralità di celle. The use of the metal cathode 2 to recharge the aforementioned cell allows the metal anode 1 of the cell to be recharged, as in a normal bi-metal Fe-Ni battery, until the coulombic capacity of the cathode 2 itself is exhausted , and allows to complete this recharge through the oxygen evolution reaction carried out through the aforementioned metal cathodes 2, without involving the gas diffusion electrodes 3 in the process in order to avoid their consequent deterioration, thus determining the complete recharging for electrical path of the aforementioned cell and, consequently, of the accumulators made with a plurality of cells.
Risulta evidente come, durante il processo di ricarica di tale cella, il materiale anodico attivo della medesima viene ricaricato per mezzo dei catodi metallici 2, attraverso reazioni elettrochimiche proprie di una cella bi-metallica, fino ad esaurimento della capacità catodica degli elettrodi 2, mentre il materiale anodico attivo residuo viene ricaricato facendo avvenire su detti catodi metallici 2 di detta cella una reazione di evoluzione dell’ossigeno propria di una cella metallo-aria. It is evident that, during the recharging process of this cell, the active anodic material of the same is recharged by means of the metal cathodes 2, through electrochemical reactions typical of a bi-metal cell, until the cathodic capacity of the electrodes 2 is exhausted, while the residual active anodic material is recharged by causing an oxygen evolution reaction typical of a metal-air cell to take place on said metal cathodes 2 of said cell.
Tale metodologia operativa migliora il rendimento del suddetto processo di ricarica e contribuisce all’ incremento dell’efficienza complessiva del sistema, riuscendo inoltre ad evitare il fenomeno della degradazione degli elettrodi a diffusione di gas, quando gli stessi sono utilizzati nelle reazioni di ricarica di celle elettrochimiche di tipo metalloaria. This operating methodology improves the efficiency of the aforementioned recharging process and contributes to the increase of the overall efficiency of the system, also managing to avoid the phenomenon of degradation of the gas diffusion electrodes, when they are used in the recharging reactions of electrochemical cells of metalloaria type.
Il principale settore di applicazione degli accumulatori sopra descritti à ̈ quello dei mezzi di locomozione, con specifico riferimento all’alimentazione di veicoli a trazione elettrica, a due o più ruote, e dei natanti elettrici. The main sector of application of the accumulators described above is that of means of locomotion, with specific reference to the power supply of electric traction vehicles, with two or more wheels, and electric boats.
Fermo restando il principio del trovato, le forme di realizzazione ed i particolari di costruzione dello stesso potranno essere ampiamente variati, rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione. Without prejudice to the principle of the invention, the embodiments and construction details thereof may be varied widely with respect to what has been described and illustrated, without thereby departing from the scope of the present invention.
Claims (9)
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| ITRM2010A000017A IT1397655B1 (en) | 2010-01-21 | 2010-01-21 | ELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL CELLS. |
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| US3532548A (en) * | 1966-10-25 | 1970-10-06 | Yardney International Corp | Electrochemical cell utilizing three electrodes |
| GB1242832A (en) * | 1969-02-11 | 1971-08-11 | Westinghouse Electric Corp | Metal-air battery containing an auxiliary electrode |
-
2010
- 2010-01-21 IT ITRM2010A000017A patent/IT1397655B1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3532548A (en) * | 1966-10-25 | 1970-10-06 | Yardney International Corp | Electrochemical cell utilizing three electrodes |
| GB1242832A (en) * | 1969-02-11 | 1971-08-11 | Westinghouse Electric Corp | Metal-air battery containing an auxiliary electrode |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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