MX2012002415A - Dispositivo de almacenamiento electrico y electrodo del mismo. - Google Patents
Dispositivo de almacenamiento electrico y electrodo del mismo.Info
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Abstract
La presente invención se relaciona generalmente a electrodos, dispositivos de almacenamiento eléctrico que comprenden los electrodos, y métodos para producir los electrodos y dispositivos de almacenamiento eléctrico. Los electrodos comprenden un colector de corriente, una esterilla eléctricamente conductiva, y un primero y segundo material electroactivo, el primer material electroactivo que tiene una densidad de energía más alta que el segundo material electroactivo, y el segundo material electroactivo que tiene una capacidad de velocidad más alta que el primer material electroactivo. La esterilla eléctricamente conductiva proporciona un soporte estructural y conductivo para por lo menos uno de los materiales electroactivos de alta velocidad y alta energía. Los electrodos se pueden proporcionar en varias configuraciones y se pueden usar en dispositivos de almacenamiento eléctrico de alta velocidad, alta energía para proporcionar vida de ciclo mejorada.
Description
DISPOSITIVO DE ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO Y ELECTRODO DEL MISMO CAMPO
La presente invención se relaciona en general a electrodos, dispositivos de almacenamiento eléctrico que comprenden los electrodos, y métodos para producir los electrodos y dispositivos de almacenamiento eléctrico.
ANTECEDENTES
Mientras que hay muchos avances significantes en el desarrollo de nuevas baterías y redes de potencia para dispositivos de transportación y comunicación, diferentes tipos de baterías pueden presentar problemas cuando se usan en medios ambientes particulares. Por ejemplo, las baterías usadas actualmente para vehículos accionados por electricidad sufren de un número de problemas. Altas demandas se colocan en estas baterías en términos de la corriente consumida de, y recargada a, la batería en varias etapas durante la operación del vehículo. Por ejemplo, en vehículos eléctricos es necesaria una velocidad alta de descarga de la batería para permitir la aceleración, y una velocidad alta de recarga de la batería se asocia con frenado regenerativo . En la situación en donde se utilizan las baterías de plomo-ácido, particularmente en vehículos eléctricos híbridos, la velocidad alta de la descarga y recarga de la batería puede dar por resultado la formación de una capa de sulfato de plomo sobre la superficie de la placa negativa, y la generación de gas hidrógeno y oxigeno en las placas negativas y positivas. Esto surge en gran medida como resultado de altas demandas de corriente en la batería. Las condiciones parciales de estado de carga (PSoC) bajo las cuales estas baterías operan en general son de 20-100% para vehículos eléctricos, 40-60% para vehículos eléctricos híbridos y 70-90% para vehículos eléctricos semi-híbridos . Esto es un estado de carga parcial de alta velocidad (HRPSoC) . Bajo el servicio de HRPSoC simulado, tal como operaciones de vehículos eléctricos híbridos y semi-híbridos, las baterías de plomo-ácido pueden fallar prematuramente de . manera principal debido a la acumulación progresiva de sulfato de plomo sobre la superficie de las placas negativas. Esto ocurre debido a que el sulfato de plomo no se puede convertir eficientemente de nuevo a plomo esponjoso durante la carga ya sea del frenado regenerativo o del motor. Eventualmente, esta capa de sulfato de plomo se desarrolla a tal grado que el área superficial efectiva de la placa se reduce notablemente, y la placa ya no puede suministrar la corriente más alta exigida por el automóvil. Esto reduce significativamente la vida útil potencial de la batería.
Los dispositivos de almacenamiento de energía portátiles y recargables, tales como baterías y capacitores electroquímicos recargables, están siendo cada vez más esenciales para accionar una gama de dispositivos de transportación y comunicación modernos. Como se menciona en lo anterior, en muchos dispositivos se requiere la combinación de potencia más alta instantánea o velocidad alta junto con energía alta. Se han desarrollado electrodos y baterías híbridos que combinan un capacitor electroactivo con una batería electroquímica para cumplir los requerimientos de potencia pico de las aplicaciones de potencia pulsada. Aunque este tipo de construcción combinada puede aumentar significativamente el desempeño de la batería, tal como proporcionar vida de ciclo aumentada, existen aun varios problemas con tales dispositivos híbridos que aun limitan su desempeño total y vida de ciclo.
Existe en consecuencia una necesidad de proporcionar electrodos alternativos y dispositivos de almacenamiento eléctrico incluyendo baterías de plomo-ácido mejoradas, que tienen una vida útil y/o desempeño mejorados comparadas con las baterías actuales.
BREVE DESCRIPCIÓN
La presente invención proporciona en general un electrodo para un dispositivo de almacenamiento eléctrico. La invención también proporciona un dispositivo de almacenamiento eléctrico que comprende el electrodo, tal como una batería de plomo-ácido que comprende el electrodo.
En un primer aspecto, se proporciona un electrodo para un dispositivo de almacenamiento eléctrico que comprende :
un colector de corriente;
un primer material electroactivo;
un segundo material electroactivo; y
una esterilla eléctricamente conductiva;
en donde:
el primer material electroactivo tiene una densidad de energía más alta que el segundo material electroactivo, y el segundo material electroactivo tiene una capacidad de velocidad más alta que el primer material electroactivo; y la esterilla eléctricamente conductiva proporciona soporte estructural y conductivo para por lo menos uno del primer material electroactivo y el segundo material electroactivo .
En una modalidad, la esterilla eléctricamente conductiva es capaz de proporcionar soporte estructural para por lo menos uno del primer material electroactivo y el segundo material electroactivo para reducir el derramamiento del mismo del electrodo. En otra modalidad, la esterilla eléctricamente conductiva es una lámina de fibra de carbono, por ejemplo una lámina no tejida de fibra de carbono. La esterilla eléctricamente conductiva puede ser porosa y/o puede comprende una red de fibras conductivas eléctricamente ínterconectadas .
Cada uno del primer material electroactivo, el se segundo material electroactivo y la esterilla eléctricamente conductiva, se puede proporcionar en el colector de corriente, o en el uno del otro, como un recubrimiento, capa o región, en cualquier orden o arreglo, y se puede arreglar con otros recubrimientos, capas (incluyendo capas intermedias) o materiales. Cualquiera o más regiones, capas o recubrimientos, pueden comprender el primero y segundo materiales electroactivo, o cualquiera o más regiones, capas o recubrimientos pueden comprenden el primer material electroactivo y/o el segundo material electroactivo, opcionalmente con uno o más aditivos, que pueden incluir aglutinantes o agentes aglutinantes, espesantes, fibras, materiales conductores y agentes formadores de poro. El primer material electroactivo se puede intermezclar en varias cantidades con el segundo material electroactivo en cualquiera o más regiones, recubrimientos o capas, o el primer material electroactivo se puede proporcionar en una o más regiones separadas, recubrimientos o capas a aquellas del segundo material electroactivo.
En una modalidad, la esterilla eléctricamente conductiva comprende uno o más recubrimientos, capas o regiones que comprenden por lo menos uno del primer material electroactivo y el segundo material electroactivo. En otra modalidad, la esterilla eléctricamente conductiva comprende uno o más recubrimientos, capas o regiones que consisten del primer material electroactivo o el segundo material electroactivo, opcionalmente con uno o más aditivos. En otra modalidad, la esterilla eléctricamente conductiva se proporciona como una capa intermedia que separa el primer material electroactivo del segundo material electroactivo. En otra modalidad, por lo menos uno del primer material electroactivo y el segundo material electroactivo se deposita sobre y/o se incorpora dentro de la esterilla eléctricamente conductiva .
En otra modalidad, uno del primero y segundo material electroactivo se proporciona como una primera capa discreta depositada sobre el colector de corriente, y el otro del primero y segundo material electroactivo se proporciona como una segunda capa discreta depositada sobre la primera capa discreta, y en donde la esterilla eléctricamente conductiva se proporciona como una tercera capa discreta en contacto con la segunda capa discreta.
En otra modalidad, el primer material electroactivo se proporciona como una primera capa discreta depositada sobre el colector de corriente, y la esterilla eléctricamente conductiva se proporciona como una segunda capa discreta en contacto con la primera capa discreta, y la el .segundo material electroactivo se proporciona como una tercera capa discreta depositada sobre la segunda capa discreta.
El primer material electroactivo se puede seleccionar del grupo que consiste de La, Li, Na, Al, Fe, Zn, Cd, Pb, Sn, Bi, V, Mn, Co, Ni, Ag y sus aleaciones, óxidos, hidróxidos, híbridos, carburos, nitruros o sulfitos, carbono, polianilina, politiofeno, polifluorofenilt iofeno, polipirrol, polímeros n o p neutralizados, polímeros redox, y mezclas de los mismos. En una modalidad, el primer material electroactivo es un material basado en plomo, por ejemplo, plomo esponjoso, que se usa típicamente en un electrodo negativo para una batería de plomo-ácido, o dióxido de plomo, que se usa típicamente en un electrodo positivo para una batería de plomo-ácido, o un material capaz de formar material de electrodo de plomo esponjoso o dióxido de plomo en activación del mismo.
El segundo material electroactivo se puede seleccionar del grupo que consiste de Nb, Hf, Ti, Ta, Li, Fe, Zn, Sn, Ru, Ag, Pt, Ir, Pb, Mo, W, Ni, Co y sus óxidos, hidróxido, hidruros, carburos, nitruros o sulfitos, carbono, polianilina, politiofeno, polifluorofenilt iofeno, polipirrol, polímeros n o p neutralizados, polímeros redox y mezclas de los mismos. En una modalidad, el segundo material electroactivo se selecciona del grupo que consiste de carbono de área superficial alta, óxido de rutenio, óxido de plata, óxido de cobalto y polímeros conductores. El carbono de área superficial alta puede ser carbono activado, negro de carbón, carbono amorfo, nanopartículas de carbono, nanotubos de carbono, fibras de carbono o una mezcla de los mismos. En una modalidad, el segundo material electroactivo es carbón activado .
En un segundo aspecto, se proporciona un dispositivo de almacenamiento eléctrico que comprende por lo menos un par de electrodos negativos y positivos, en donde por lo menos un electrodo es un electrodo de acuerdo con el primer aspecto descrito en la presente.
El electrodo de acuerdo con el primer aspecto puede comprender un electrodo negativo del dispositivo de almacenamiento eléctrico donde el primer material electroactivo se selecciona de uno o más del grupo que consiste de cadmio, híbridos de metal, plomo y zinc. En una modalidad, el primer material electroactivo es plomo.
El electrodo de acuerdo con el primer aspecto puede comprender un electrodo positivo del dispositivo de almacenamiento eléctrico donde el primer material electroactivo se selecciona de uno o más del grupo que consiste de óxido de níquel, óxido de plomo y plata. En una modalidad, el primer material electroactivo es óxido de plomo .
En una modalidad, el dispositivo de almacenamiento eléctrico se configura para operación bajo una fuerza de compresión de menor que aproximadamente 80 kPa.
En un tercer aspecto, se proporciona un dispositivo de almacenamiento eléctrico que comprende por lo menos un electrodo positivo basado en dióxido de plomo y por lo menos un electrodo negativo basado en plomo esponjoso en una solución de electrolito de ácido sulfúrico, en donde el por lo menos un electrodo negativo basado en plomo esponjoso comprende :
un colector de corriente;
una primera capa depositada sobre el colector de corriente, la primera capa que comprende plomo esponjoso;
una segunda capa en contacto con la primera capa, la segunda capa que comprende una esterilla eléctricamente conductiva que comprende una red de fibras de carbono conductivas eléctricamente interconectadas ;
una tercera capa depositada sobre la segunda capa, la tercera capa que comprende un segundo material electroactivo;
en donde el plomo esponjoso tiene una densidad de energía más alta que el segundo material electroactivo, y el segundo material electroactivo tiene una capacidad de velocidad más alta que el plomo esponjoso.
En un cuarto aspecto, se proporciona un proceso para fabricar un electrodo de acuerdo con el primer aspecto descrito en la presente, el proceso que comprende:
formar una capa compuesta que comprende por lo menos uno del primer material electroactivo y el segundo material electroactivo depositados sobre y/o incorporados dentro de la esterilla eléctricamente conductiva; y
acoplar la capa compuesta al colector de corriente.
En una modalidad, el proceso comprende además formar un recubrimiento del primer material electroactivo en el colector de corriente, y acoplar la capa compuesta al recubrimiento del primer material electroactivo en el colector de corriente.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las modalidades preferidas de la presente invención ahora se describirán y se ilustrarán adicionalmente, a manera de ejemplo solamente con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales:
las Figuras la y Ib muestran un proceso por etapas para lograr dos tipos de arreglos de un electrodo de acuerdo con las modalidades de la presente invención;
las Figuras 2a y 2b muestran un proceso por etapas para lograr dos tipos de arreglos como se muestra en las Figuras la y Ib, respectivamente, que implican un colector de corriente formado de una rejilla de aleación de plomo;
la Figura 3 muestra equipo de prueba y un arreglo usado para determinar el desempeño de ciclo de los electrodos bajo un intervalo de compresiones cuando se incorporan en la celda de trabájela Figura 4 muestra el perfil de prueba que implica la secuencia de carga y descarga usada con el equipo de prueba y el arreglo de acuerdo con la Figura 3;
la Figura 5 es una gráfica que muestra el desempeño de ciclo bajo fuerzas de compresión diferentes de un intervalo de cuatro celdas hechas de electrodos negativos diferentes de acuerdo con varias modalidades presente invención ;
la Figura 6 es una gráfica que muestra la relación general entre el número de ciclo y la fuerza de compresión de celda para los electrodos sometidos a prueba;
la Figura 7 es una gráfica que muestra el perfil de carga y descarga implicado para someter a prueba las láminas no tejidas de fibra de carbono, incluyendo cambios en un voltaje de celda, potencial de electrodo positivo y potencial de electrodo negativo durante la carga y descarga a 20 mA en un cíclela Figura 8 es una gráfica que muestra los cambios en el voltaje de celda y potencial de electrodo negativo con tiempo para un ajuste de 10 ciclos implicados con la prueba de las láminas no tejidas de fibra de carbono;
la Figura 9 es una gráfica que muestra los cambios en el voltaje de celda, potencial de electrodo positivo y potencial de electrodo negativo durante la carga y descarga a 50 mA en un ciclo implicado con la prueba de las láminas no tejidas de fibra de carbono;
la Figura 10 es una gráfica que muestra los cambios en el voltaje de celda y el potencial de electrodo negativo con tiempo para un ajuste de 4 ciclos implicados con la prueba de la lámina no tejida de fibra de carbono;
la Figura 11 muestra una configuración de celda usadas para someter a prueba las variaciones en cuatro composiciones diferentes de material electroactivo de alta velocidad de acuerdo con varias modalidades de la presente invención;
la Figura 12 muestra una configuración de celda usada para someter a prueba las variaciones en diferentes esterillas eléctricamente conductivas de acuerdo con varias modalidades de la presente invención;
la Figura 13 es una gráfica que muestra los cambios en el voltaje y capacidad de celda para un protocolo de carga/descarga de corriente alta para la celda que comprende la composición de capacitor pegada directamente sobre la lámina de plomo de la celda donde la composición de capacitor comprende 20% en peso de óxido de plomo, 20% en peso de negro de carbón y 35% en peso de carbón activado;
la Figura 14 es una gráfica que muestra los cambios en el voltaje y capacidad de celda para un protocolo de carga/descarga de corriente alta para la celda que comprende la composición de capacitor pegada directamente sobre la lámina de plomo de la celda donde la composición de capacitor comprende 20% en peso de óxido de plomo, 20% en peso de negro de carbón y 45% en peso de carbón activado;
la Figura 15 es una gráfica que muestra los cambios en el voltaje y capacidad de celda para un protocolo de carga/descarga de corriente alta para la celda que comprende una lámina no tejida de fibra de carbono 8000040 con una composición de capacitor pegada sobre la misma que comprende 20% en peso óxido de plomo, 30% en peso de negro de carbón 35% en peso de carbón activado;
la Figura 16 es una gráfica que muestra los cambios en el voltaje y capacidad de celda para un protocolo de carga/descarga de corriente alta para la celda que comprende una lámina no tejida de fibra de carbono 8000030 (1'') con una composición de capacitor pegada sobre la misma que comprende 20% en de peso óxido de plomo, 30% en peso de negro de carbón y 35% en peso de carbón activado;
la Figura 17 muestra una configuración de celda usada para someter a prueba el desempeño de una celda de (VRLA) 2 V de plomo-ácido regulada con válvula que contiene láminas no tejidas de fibra de carbono que comprenden el material de capacitor;
la Figura 18 es una gráfica que muestra un perfil de ciclización de carga y descarga de 42 V para someter a prueba el desempeño de la celda de la Figura 17;
la Figura 19 es una gráfica que muestra los cambios en el voltaje y capacidad de celda para someter a prueba la celda de acuerdo con la Figura 17;
la Figura 20 muestra un aparato y proceso de acuerdo con una modalidad de la invención para fabricar una capa compuesta que comprende una esterilla eléctricamente conductiva recubierta con un material electroactivo de velocidad alta; y
la Figura 21 muestra un aparato y proceso de acuerdo con una modalidad de la invención para fabricar un electrodo de dos lados con una capa compuesta aplicada a cada lado del mismo.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS ABREVIACIONES
En los ejemplos, se hará referencia a las siguientes abreviaciones en las cuales:
APP Aplicaciones
C Celsius
Cl Clase
[ ] Concentración
F Fahrenheit
h Hora
HRPSoC Estado de carga parcial de velocidad alta
Mn peso Molecular promedio en número
Mw Peso molecular promedio en peso
MW peso molecular
PSoC Condiciones de estado de carga parcial
RH Humedad Relativa
SG Gravedad especifica o densidad relativa
Con respecto al agua
SEM Microscopía Electrónica de Barrido
% en peso Porcentaje en peso de componentes específico en la composición
XPS Espectroscopia de rayos X de fotoelectrones
DESCRIPCIÓN DETALLADA
En un intento de identificar materiales alternativos y arreglos en electrodos para baterías de desempeño mejorado, ahora se ha descubierto que una esterilla eléctricamente conductiva usada con electrodos que comprende una combinación de dos materiales electroactivos diferentes, en donde uno de los materiales electroactivos tiene una densidad de energía más alta y capacidad de velocidad más baja que el otro material electroactivo, pueden proporcionar ventajas particulares incluyendo vida de ciclo mejorada. Se describen a continuación modalidades particulares no limitantes de la presente invención.
El electrodo de la presente invención comprende un primer material electroactivo y un segundo material electroactivo en donde el primer material electroactivo tiene una densidad de energía más alta que el segundo material electroactivo, y el segundo material electroactivo tiene una capacidad de velocidad más alta que el primer material electroactivo . Para conveniencia del material electroactivo que tiene la densidad de energía más alta (el primer material electroactivo) es referido a continuación como el "material electroactivo de energía alta", y el material electroactivo que tiene la capacidad de velocidad más alta (el segundo material electroactivo) es referido a continuación como el "material electroactivo de velocidad alta".
La presente invención se relaciona en general a un electrodo para un dispositivo de almacenamiento eléctrico de energía alta, velocidad alta que comprende un colector de corriente, un material electroactivo de energía alta, material electroactivo de velocidad alta, y una esterilla eléct icamente conductiva para proporcionar un soporte estructural y conductivo para por lo menos uno de los materiales electroactivos de velocidad alta y energía alta. Los electrodos del primer aspecto como se describe en la presente se pueden usar en los dispositivos de almacenamiento eléctrico de velocidad alta y energía alta.
Términos Generales
El término "velocidad alta" se refiere en general a la capacidad de un dispositivo o material para proporcionar una velocidad alta o corriente alta de descarga o recarga eléctrica, que se facilita por el dispositivo o material que tiene una resistencia interna baja y un área superficial alta. Una velocidad alta de descarga sería bien conocida para ser proporcionada por los materiales de electrodo de capacitor convencional capaces de almacenar energía capacitivamente, tal como carbono de área superficial alta.
El término "energía alta" se refiere en general a la capacidad de un dispositivo o material para proporcionar una alta cantidad de descarga o recarga eléctrica, proporcionada típicamente por una duración sostenida de descarga o recarga eléctrica pero en una velocidad baja. Un material de energía alta se consideraría que se proporciona para un material de electrodo de batería convencional capaz de almacenar energía electroquímicamente, tal como una pasta de plomo usada en las baterías de plomo-ácido.
El término "electroactivo" , "material de electrodo activo" o término similar, se refiere a la capacidad de un material para recibir, almacenar o proporcionar una fuente de carga eléctrica e incluye materiales de electrodo de capacitor capaces de almacenar energía capacitivamente, y materiales de electrodo de batería capaces de almacenar energía electroquímicamente.
Otros términos particulares se han descrito a continuación donde se describen más apropiadamente con referencia a modalidades particulares.
Estructura del Electrodo
Los electrodos comprenden en general un colector de corriente (típicamente una rejilla o placa) con un material de electrodo activo aplicado al mismo. El material de electrodo activo se aplica más comúnmente en forma de pasta a una región del colector de corriente. La pasta puede contener aditivos o materiales diferentes al material de electrodo activo .
El electrodo puede ser de cualquier forma adecuada, aunque está típicamente en la forma de una placa plana (rejilla), o una placa espiralmente enrollada para celdas prismáticas o espiralmente enrolladas. Para simplicidad e diseño, las placas planas o rejillas se prefieren en general. Los colectores de corriente proporcionan usualmeñte la estructura base de un electrodo, y se forman típicamente de metales eléctricamente conductivos, por ejemplo una aleación de plomo se usa típicamente como un colector de corriente en baterías de plomo-ácido. Adicionalmente, los materiales usados para el colector de corriente deben ser estables en el medio ambiente de electrolito.
Como se describe en lo anterior, la presente invención proporciona en general un electrodo para un dispositivo de almacenamiento eléctrico de velocidad alta y energía alta que comprende: un colector de corriente, un material electroactivo de energía alta, un material electroactivo de velocidad alta, y una esterilla eléctricamente conductiva que proporciona un soporte estructural y mecánico eléctricamente conductivo para el material electroactivo de velocidad alta y/o energía alta.
Cada uno del material electroactivo de energía alta, el material electroactivo de velocidad alta y la esterilla eléctricamente conductiva, se pueden proporcionar en el colector de corriente, o en uno del otro, como un recubrimiento, capa o región, en cualquier orden o arreglo, y se pueden arreglar con otros materiales o capas. Varios arreglos y modalidades del electrodo se describen como sigue.
El primer y segundo material electroactivo se pueden intermezclar en cualquiera o más recubrimientos, capas o regiones, opcionalmente con uno o más de otros aditivos. El primer material electroactivo también se puede separar del segundo material electroactivo en cualquiera o más recubrimientos, capas o regiones.
En una modalidad, el electrodo tiene primera y segunda región discreta, en donde el material electroactivo de energía alta se coloca en una o más de primeras regiones y el material electroactivo de velocidad alta se coloca en una o más de segundas regiones. La primera y segunda región pueden estar adyacente, separadas, traslapantes o en capas en uno del otro. Las regiones se pueden proporcionar en el colector de corriente y/o la esterilla eléctricamente conductiva, con la esterilla arreglada para soportar cualquiera de las regiones. La esterilla eléctricamente conductiva facilita contra los materiales electroactivos el derramamiento de electrodo durante el uso. En otro ejemplo, la esterilla eléctricamente conductiva se puede arreglar como una capa sobre el colector de corriente con la primera y segunda región localizada sobre una superficie de la esterilla eléctricamente conductiva.
En otra modalidad, uno de los materiales electroactivos de energía alta y velocidad alta se pueden proporcionar como una primera capa discreta dispuesta sobre el colector de corriente, y el otro de los materiales electroactivos de energía alta y velocidad alta después se puede proporcionar como una segunda capa discreta depositada sobre la primera capa discreta, donde la esterilla eléctricamente conductiva es una tercera capa discreta en contacto con la segunda capa discreta. En una modalidad alternativa, el material electroactivo de energía alta se puede proporcionar como una primera capa discreta depositada sobre el colector de corriente, y la esterilla eléctricamente conductiva se puede proporcionar como una segunda capa discreta en contacto con la primera capa discreta, y el material electroactivo de velocidad alta proporcionado como una tercera capa discreta depositado sobre la segunda capa discreta .
El material electroactivo de velocidad alta y/o energía alta se puede depositar sobre y/o incorporar dentro de la esterilla eléctricamente conductiva para formar una capa compuesta. En una modalidad, el electrodo comprende una capa compuesta que comprende la esterilla eléctricamente conductiva recubierto con por lo menos uno de los materiales electroactivos de velocidad alta y energía alta, y preferiblemente con por lo menos el material electroactivo de velocidad alta. Con respecto a la fabricación de un electrodo el dispositivo que contiene el electrodo, las , capas compuestas se pueden pre-elaborar y almacenar, y luego ensamblar en el electrodo o dispositivo en el ¡tiempo apropiado, que proporciona ciertas eficiencias en la fabricación de tales electrodos y dispositivos. Por ejemplo, una capa compuesta se puede aplicar, simultáneamente, \a cada i lado del electrodo de dos lados para proporcionar una manufactura eficiente del electrodo.
En otra modalidad, la esterilla eléctricamente conductiva se proporciona como una capa intermedia que > separa el material electroactivo de energía alta del material electroactivo de velocidad alta. La capa intermedia se; puede proporcionar como una capa discreta. La porosidad de la esterilla eléctricamente conductiva también se puede seleccionar para prevenir al material electroactivo de velocidad alta de filtrarse a través de la esterilla eléctricamente conductiva. La porosidad seleccionada dependerá de la naturaleza del dispositivo y el 1 medio ambiente bajo el cual el dispositivo se propone a funcionar.
Por ejemplo, el material de velocidad alta se puede depositar en un extremo de la esterilla eléctricamente conductiva y el material electroactivo de energía alta depositado en el lado opuesto de la esterilla eléctricamente conductiva, con la porosidad de la esterilla eléctricamente conductiva seleccionada para mantener la separación de los materiales electroactivos de velocidad alta y energía alta.
Los arreglos de electrodos anteriores aplican para formar electrodos de batería tanto negativos como positivos. Materiales Electroactivos
El "material electroactivo de energía alta" tiene una mayor densidad de energía que el "material electroactivo de velocidad baja", y el "material electroactivo de velocidad alta" tiene una mayor capacidad de velocidad que el "material electroactivo de energía alta". Se apreciará que los valores de velocidad o energía absolutos para estos materiales dependen de una variedad de factores incluyendo las cantidades y tipos de material, y los medios ambientes y configuraciones en los cuales estos materiales se emplean.
El "material electroactivo de energía alta" puede ser cualquier material convencionalmente usado en electrodos de batería para proporcionar densidad de energía alta. Estos materiales proporcionan típicamente un rendimiento de energía sostenido, pero de una velocidad o potencia más baja en comparación con un material de velocidad alta. Ejemplos de algunos materiales de energía alta que se han usado para ánodos en baterías acuosas recargables incluyen cadmía, hidruros de metal, cromo y zinc, mientras que tales materiales para cátodos se han fabricado de óxido de níquel, óxido de plomo, plata y oxígeno o aire (con catalizador) . Ejemplos de materiales de ánodo de energía alta para baterías recargables de Li-ion (intercalando Li) , 03, y TiS2, y SnOx, con materiales de cátodos correspondientes que incluyen LixNiyOz, LiCo02, Li n202, LixTiyOz, y LiV60i3, y donde x, y y z varían entre 0.1 y 10. Otros materiales de energía alta incluyen La, Li, Na, Al, Fe, Zn, Cd, Pb, Sn, Bi, C, V, Mn, Co, Ni, Ag y sus óxidos, hidróxidos, hidruros, carburos, nitruros o sulfitos, y polianilina, politiofeno, polifluorofeniltiofeno, polipirrol, polímeros n o p naturalizados, polímeros redox, y muestras de los mismos. Por ejemplo, los dispositivos de almacenamiento eléctrico pueden comprender sistemas basados en ión de litio, metal de litio, hierro de metal de litio, hierro de metal de níquel, níquel y zinc y dispositivos basados en níquel y plata o sistemas de electrodo.
En una modalidad, el material electroactivo de energía alta es un material basado en plomo, por ejemplo, una batería de tipo cromo-ácido, plomo esponjoso para el uso como un material de electrodo negativo y dióxido de plomo para el uso como un material de electrodo positivo.
El "material electroactivo de velocidad alta" puede ser cualquier material de velocidad alta (o potencia alta) que muestren en general las características de capacitores. Tales materiales son bien conocidos en la técnica. Estos materiales proporcionan típicamente un rendimiento de velocidad alta o potencial alta inicial de una duración corta, pero tienen una densidad de energía más baja en comparación con un material de energía alta. Ejemplos de algunos materiales de velocidad alta que se han usado en capacitores incluyen carbón de área superficial alta/ óxido de rutenio, óxido de plata, óxido de cobalto, y polímeros conductores (tal como polianilina, politiofeno, polifluorofeniltiofeno, polímeros n o p neutralizados, polímeros redox, o polipirrol). Ejemplos de materiales de carbón de área superficial alta son carbón activado, negro de carbón, carbono amorfo, nanopartículas de carbono, nanotubos de carbono, fibras de carbono y mezclas de los mismos. Otros materiales de velocidad alta incluyen C, Nb, Hf, Ti, Ta, Li, Fe, Zn, Sn, Ru, Ag, Pt, Ir, Pb, o, , Ni, Co y sus óxidos, hidróxidos, hidruros, carburos, nitruros o sulfitos, y mezclas de los mismos.
El material electroactivo de energía alta y el material electroactivo de velocidad alta se proporcionan típicamente como regiones, capas o recubrimientos en el electrodo. El material electroactivo se puede aplicar a o recubrir sobre un recolector de corriente, esterilla eléctricamente conductiva o uno o más de otros componentes, por ejemplo como una pasta con un aglutinante o agentes aglutinantes tales como carboximetilcelulosa, neopreno, caucho de estireno-butadieno, politetrafluoroetileno (PTFE) o polivinilidenfluoruro (PVDF)/kynar y combinaciones de los mismos, y opcionalmente con uno o más de otros aditivos que incluyen materiales conductores tales como negro de carbón, fibras de plástico o carbono, espesantes o agentes formadores de poro. El material electroactivo de energía alta se puede recubrir sobre un colector de corriente, esterilla eléctricamente conductiva o una o más de otros componentes del electrodo, sin la necesidad de un aglutinante o agente (s) aglutinante (s) .
La pasta para aplicar el material electroactivo de velocidad alta sobre uno o más componentes de los electrodos comprende frecuentemente otros materiales para obtener un balance apropiado entre el área superficial (de esa manera capacitancia) y conductividad. Actualmente, por razones de costo, el carbón activado es la fuente más apropiada del material electroactivo de velocidad alta. Un material de carbón activado adecuado puede tener un área superficial de por lo menos 500 m2/g, por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 1000 y 3500 m2/g. Un material de negro de carbón adecuado puede comprender un área superficial de entre 20-1000 negro de carbono m2/g.
Los materiales electroactivos se pueden usar en combinación con uno o más aditivos. Un aditivo puede incluir un aglutinante o agentes aglutinantes, espesantes, fibras, materiales conductores y agentes formadores de poro. Los aditivos se pueden proporcionar en una mezcla o pasta que comprender el material electroactivo para formar parte de una región, recubrimiento o capa, y mejorar el desempeño del electrodo .
Un agente formador de poro se puede seleccionar de uno o más del grupo de polvo de zinc, polvo de alcanfor, polvo de naftaleno y polvo de aluminio. El agente formador de poro incrementa la porosidad de una región, recubrimiento o capa que comprende el material electroactivo, y facilita el suministro de electrolitos a la superficie de un electrodo para mejorar tal descarga de velocidad alta.
El material por conductor proporciona una cantidad suficiente de conductividad eléctrica a la región, recubrimiento o capa, y puede incluir negro de carbón u otros materiales conductores. El material conductor se puede proporcionar en por lo menos 5% en peso de la región, recubrimiento, capa, mezcla o pasta, por ejemplo en el intervalo de 10 a 60% en peso.
El aglutinante o agente aglutinante es útil para mejorar la unión de los materiales conjuntamente sobre la superficie de un recolector de corriente, electrodo o esterilla eléctricamente conductiva. El aglutinante también puede proporcionar una interconexión eléctrica entre los materiales, regiones, capas, recubrimientos, o componentes de electrodo, y facilitan el mantenimiento de un grado suficiente de porosidad cuando los materiales se secan. Un aglutinante o agente aglutinante pueden incluir policloropreno, caucho de estireno-butadieno (SBR) , politetrafluoroetileno (PTFE) , fluoruro de polivinilideno (PVDF). Un aglutinante se puede proporcionar en un intervalo de 1 a 20% en peso en la región, recubrimiento, capa, por ejemplo en un intervalo de 5 a 15% en peso.
Un espesante, que, también se puede referir como un aglutinante o agente aglutinante, es útil para preparar una mezcla de materiales en la forma de pasta. Para la pasta acuosa, son adecuados derivados de celulosa tales como carboximetil celulosa (CMC) y metil celulosa (MC) , sales de ácido poliacrilico, alcohol polivinilico y similares, y para la pasta orgánica, son adecuados NMP (N-metil-2-pirrolidona, l-metil-2-pirrolidona) , sulfóxido de dimetilo (DMSO) y similares. Se puede proporcionar espesantes tal que el residuo seco no exceda 10% en peso para mantener una cantidad suficiente de conductividad eléctrica, por ejemplo en un intervalo de 1 a 6% en peso en la región, recubrimiento o capa.
Las fibras pueden incluir plástico, vidrio o fibras de carbono. Las fibras pueden proporcionar un material de refuerzo y permeabilidad mejorada de gas producido en el electrodo durante la operación. Las fibras de plástico pueden incluir resina de poliéster tal como polietilentereftalato (PET) o similar. Las fibras son típicamente cortas, por ejemplo en un intervalo de 1 a 30 µp\ en espesor y 0.05 a 4.0 mm en longitud. Las fibras se pueden proporcionar en una cantidad de menor que aproximadamente 15%, por ejemplo en un intervalo de 4 a 12% en peso.
Una mezcla adecuada de estos materiales puede comprender entre 0-80% de negro de carbón, 15-95% de, carbón activado, 0-10% de fibras de plástico y/o carbono, y el resto aglutinante en un nivel de entre 5-25%. Todas las mediciones son en peso a ' menos que se especifique de otra manera. Se apreciará en las modalidades anteriores y posteriores que el negro de carbón se puede sustituir por otros materiales conductores o mezclas de materiales conductores, y el carbón activado se puede sustituir por otros materiales de velocidad alta o mezclas de materiales de velocidad alta. A menos que se indique de otra manera, estas mezclas se pueden usar para electrodos negativos o positivos, aunque pueden existir ventajas adicionales cuando se usan para electrodos específicos y configuraciones en tipos particulares de sistemas de batería.
Otra mezcla adecuada puede comprender 1-95% de carbón activado (como el material de velocidad alta) , 5-20% de aglutinante (por ejemplo neopreno y/o carboximetil celulosa) , 0-80% de negro de carbón, y 0-5% de fibras de plástico y/o carbono. Se proporcionan ventajas por las modalidades donde el material electroactivo de velocidad alta se dispersa sobre o dentro, o en contacto con (por ejemplo por la formación de capas o recubrimientos) , un material conductivo o componente, tal como negro de carbón o esterilla eléctricamente conductiva. Para modalidades particulares donde el material electroactivo de velocidad alta está en contacto con la esterilla eléctricamente conductiva, la cantidad del material conductivo usado (por ejemplo negro de carbón) en la mezcla se puede reducir u omitir. Por ejemplo, una pasta que comprende un material electroactivo de velocidad alta, un agente aglutinante y un material conductor, que serian adecuados para la aplicación a un esterilla eléctricamente conductiva, pueden comprender menor que 30% en peso, menor que 20% en peso, menor que 10% en peso, o menor que 5% en peso de material conductor. Los agentes aglutinantes o espesantes se pueden proporcionar en el intervalo de 5-25%. La pasta también puede comprender mayor que 60% en peso, mayor que 70% en peso, mayor que 80% en peso, o mayor que 90% en peso de material electroactivo de velocidad alta. Los materiales conductivos tales como negro de carbón incluyen típicamente impurezas que pueden ocasionar problemas de gasificación en ciertos sistemas de batería. La esterilla eléctricamente conductiva en estas modalidades después puede proporcionar propiedades conductivas a una región del material electroactivo de velocidad alta además de propiedades de soporte estructurales y mecánicos. Se apreciará que en las modalidades donde el material electroactivo de velocidad alta se separa de la esterilla eléctricamente conductiva, después un material conductivo tal como negro de carbón se puede usar en la mezcla con material electroactivo de velocidad alta para mejorar el desempeño.
En una modalidad, el material electroactivo de velocidad alta es de carbón activado, preferiblemente en un área superficial de entre aproximadamente 1000 y 3500 m2/g. El carbón activado se puede preparar en la forma de una pasta al usar un aglutinante espesante, por ejemplo mezcla de neopreno y/o carboximetil celulosa en una cantidad entre 5-20%. La pasta puede comprender 80-95% de carbón activado y 5-20% de aglutinante, por ejemplo una pasta que comprende 85% de carbón activado y 15% de aglutinante. Como se menciona en lo anterior, estas modalidades pueden proporcionar ventajas adicionales para configuraciones de electrodo donde el material electroactivo de velocidad alta está en contacto con la esterilla eléctricamente conductiva (por ejemplo región, recubrimiento o capa del material electroactivo de velocidad alta proporcionado sobre la esterilla eléctricamente conductiva) .
En otra modalidad, la pasta comprende: carbón activado entre aproximadamente 20-50% en peso; negro de carbón en un intervalo de entre aproximadamente 30-60% en peso; y aglutinante en un intervalo de entre aproximadamente 5 a 25% en peso. Por ejemplo, la pasta puede comprender: carbón activado de aproximadamente 3% en peso; negro de carbón de aproximadamente 45% en peso; aglutinante de aproximadamente 10% en peso, y el resto que comprende uno o más de otros aditivos. En una modalidad, la pasta puede comprender 35% de carbón activado, 45% de negro de carbón, 15% de aglutinante, y 5% de partículas de fibras de plástico/carbono. Como se menciona en lo anterior, estas modalidades pueden proporcionar ventajas adicionales para configuraciones de electrodo donde el material electroactivo de velocidad alta no está en contacto con la esterilla eléctricamente conductiva.
Típicamente, la relación del material electroactivo de velocidad alta a material electroactivo de energía alta usados en un solo electrodo esta en el intervalo de aproximadamente 3:17 a 1:19 respectivamente o en una base en peso. Por ejemplo, aproximadamente 10 g del material electroactivo de velocidad alta se puede usar como una capa sobre un electrodo previamente recubierto con 10 g de material electroactivo de energía alta.
Esterilla eléctricamente conductiva
La esterilla eléctricamente conductiva puede comprender cualquier material que tenga un mayor grado de conductividad eléctrica, y en consecuencia una baja resistencia interna, que es capaz de proporcionar soporte físico o mecánico para el material electroactivo de velocidad alta y/o energía alta en el electrodo. La esterilla eléctricamente conductiva proporciona soporte para los materiales electroactivos de velocidad alta y/o energía alta, facilitando contra el derramamiento de estos materiales durante la carga y descarga del dispositivo de almacenamiento de energía. La esterilla eléctricamente conductiva es típicamente estable en el medio ambiente del electrolito deseado. La esterilla eléctricamente conductiva sirve como un colector de corriente (por ejemplo incrementando la conductividad) y proporciona un soporte físico para el material electroactivo (por ejemplo incrementando la resistencia mecánica) . La esterilla eléctricamente conductiva puede ser porosa y puede comprender una red de fibras conductivas eléctricamente interconectadas , por ejemplo una lámina no tejida de fibra de carbono. La esterilla eléctricamente conductiva puede estar tejida o no tejida.
La esterilla eléctricamente conductiva puede comprender soporte para el primer material electroactivo, el segundo material electroactivo o ambos materiales electroactivos .
La esterilla eléctricamente conductiva proporciona una capa de soporte que se puede asociar con un material electroactivo de velocidad alta y/o energía alta mediante cualquier adhesión, unión, unión removible, o sin unión. Otras capas intermedias también se pueden asociar con una esterilla eléctricamente conductiva, el material electroactivo de velocidad alta y/o energía alta por medio de adhesión, unión, unión removible, o sin unión. La esterilla eléctricamente conductiva es típicamente semi-rígida o rígida y puede estar en la forma de una película, membrana, matriz o lámina. La esterilla eléctricamente conductiva puede comprender una lámina o capa que comprende una red de fibras conductivas eléctricamente interconectadas dispuestas sobre la misma, por ejemplo fibras de carbono mantenidas sobre una lámina de soporte. Dependiendo del uso propuesto, la esterilla eléctricamente conductiva se puede seleccionar de materiales que limitan la formación de gas durante la carga y descarga de velocidad alta de un dispositivo de almacenamiento de energía.
Un ejemplo de una esterilla eléctricamente conductiva incluye una capa formada de un material de fibra de carbono tal como una lámina no tejida de fibra de carbono. Otros ejemplos de una esterilla eléctricamente conductiva pueden incluir redes interconectadas formadas de materiales que incluyen cerámicas conductoras, fibras de vidrio conductoras, y plásticos conductores. Se apreciará que la esterilla eléctricamente conductiva comprende un grado de porosidad para permitir la permeabilidad de un electrolito liquido. Por ejemplo, una porosidad adecuada puede estar en el intervalo de 40-80%.
Un ejemplo especifico de una esterilla eléctricamente conductiva adecuada seria una lámina no tejida de fibra de carbono que tiene las siguientes propiedades:
• Peso Básico: 10 - 70 g /m
• Espesor: 0.06 - 0.55 mra
• Tensión: 0.91- 4.3 kN / m
• Tensión CD: 0.52 - 4.3 kN / m
• Resistividad superficial: 3 - 10 DC O/m
En una modalidad, la esterilla eléctricamente conductiva es una lámina de fibra de carbono, que es preferiblemente una lámina no tejida delgada que proporciona una estructura parcialmente ordenada que asegura la buena conductancia de electrones a lo largo de las fibras, y una fijación espacial casi estacionaria de las fibras que aseguran buen contacto entre ellas. Como con otros materiales de carbono, la lámina tiene baja resistencia interna, que es una característica ideal requerida para el uso en combinación con el capacitor de velocidad alta y los materiales electroquímicos de energía alta. El inventor ha descubierto que en los electrodos que comprenden un material de energía alta y un material de velocidad alta, el material de velocidad alta se puede derramar parcialmente durante el ciclo. El inventor ha descubierto adicionalmente que este derramamiento se puede reducir o prevenir al usar una esterilla eléctricamente conductiva para proporcionar soporte estructural para el material de velocidad alta.
En algunas modalidades, el material de velocidad alta y/o energía alta se deposita sobre, y se incorpora dentro, de la esterilla eléctricamente conductiva. En este arreglo, la esterilla eléctricamente conductiva se facilita contra el derramamiento de los materiales de velocidad alta y/o energía alta del electrodo durante la carga y descarga de velocidad alta del dispositivo de almacenamiento de energía, por ejemplo en la forma de gasificación en las baterías de plomo-ácido .
En otra modalidad, la esterilla eléctricamente conductiva puede proporcionar soporte para una capa o región discreta de los materiales electroactivos de velocidad alta y/o energía alta, y preferiblemente por lo menos una capa discreta o región del material electroactivo de velocidad alta. 1
En otra modalidad, por lo menos una región en el interior y/o superficie de la esterilla eléctricamente conductiva comprende el material electroactivo de velocidad alta y/o energía alta. La esterilla eléctricamente conductiva se puede seleccionar para comprender un grado de porosidad tal que cualquier material aplicado a un lado de la esterilla no se puede filtrar o mover a través del lado opuesto de la esterilla .
El material electroactivo de velocidad alta y/o energía alta se puede depositar sobre y/o incorporar dentro de la esterilla eléctricamente conductiva para formar una capa compuesta. En tales modalidades la esterilla eléctricamente conductiva, a través de la fabricación de capas compuestas, permite un proceso eficiente en la fabricación de dispositivos de almacenamiento de energía. Por ejemplo, las capas compuestas se pueden pre-elaborar y almacenar, y luego ensamblar en un electrodo o dispositivo en el tiempo apropiado.
El uso de una esterilla eléctricamente conductiva en la forma de una lámina no tejida de fibra de carbono en un dispositivo de almacenamiento eléctrico se ha mostrado que permite un número de ciclo máximo (típicamente entre aproximadamente 6000 a 8000 ciclos) al hacer alcanzados en fuerzas de compresión más bajas en comparación con aquellos de los electrodos convencionales o electrodos híbridos/compuestos que no tienen una esterilla eléctricamente conductiva, por ejemplo menor que 70 kPa como es opuesto a 80 kPa anterior. En una modalidad, la esterilla eléctricamente conductiva se usa en un electrodo híbrido o compuesto (es decir electrodos que comprenden tanto material de capacitor de velocidad alta como material de batería de energía altas) donde los dispositivos de almacenamiento eléctrico operan bajo una fuerza de compresión de menor que aproximadamente 70 kPa, menor que aproximadamente 60. kPa, y preferiblemente entre aproximadamente 30 y 60 kPa. Se apreciará que las cosas comprensivas fuera de estos rangos aun se pueden emplear.
Dispositivos de almacenamiento eléctrico
El dispositivo de almacenamiento eléctrico incluye por lo menos un par de electrodos positivos y negativos, en donde el por lo menos un electrodo es un electrodo de acuerdo con un primer aspecto descrito en la presente.
El dispositivo de almacenamiento de electrodo, por ejemplo, una batería de plomo-ácido, se ensambla típicamente con un ánodo y cátodo (o electrodo negativo o positivo) . En relación con las baterías de plomo-ácido, el dispositivo comprendería típicamente por lo menos un electrodo positivo basado en dióxido de plomo, un separador no conductivo poroso y por lo menos un electrodo negativo basado en plomo esponjoso acoplados conjuntamente en una solución de electrolito que comprende ácido sulfúrico. El dispositivo de almacenamiento eléctrico puede ser un dispositivo regulado por válvula.
Los materiales de velocidad alta y energía alta se pueden depositar en el colector de corriente en varias formas, por ejemplo, en capas súper impuestas (que pueden o no comprender una capa intermedia por ejemplo esterilla eléctricamente conductiva) capas adyacentes, o incrementadas entre sí, o como partículas de recubrimiento del material del otro material para formar una mezcla depositada sobre el recolector de corriente. La esterilla eléctricamente conductiva esta arreglada para proporcionar un soporte físico o mecánico para los materiales de velocidad alta y/o energía alta. Ventajosamente, la esterilla eléctricamente conductiva puede permitir sustancialmente que una capa de material electroactivo de velocidad alta y/o energía alta se deposite sobre la misma y/o se incorpore en la misma, y puede facilitar la manufactura eficiente de tales electrodos.
Este dispositivo de almacenamiento eléctrico puede comprender uno o más de electrodo negativo, electrodo positivo, o par de electrodos positivos y negativos como se describe en la presente. La velocidad potencial electroquímica activa de los materiales electroactivos de energía alta y velocidad alta en un electrodo dado debe traslapar la velocidad de operación deseada completa de ese electrodo. Los materiales electroactivos de energía alta y velocidad alta también deben tener acceso a un electrolito que puede suministrar contra-iones y completar el circuito eléctrico en la celda de almacenamiento de energía. La compatibilidad química también se debe considerar, por ejemplo, si los dos materiales comparten un electrolito común, ambos deben ser estables en ese electrolito.
Los materiales electroactivos de velocidad alta y energía alta se arreglan típicamente en el mismo colector de corriente tal que están en contacto eléctrico. Ejemplos de este arreglo incluyen: de dos lados, dispersado, en capas, paralelos, y polvos recubiertos. La provisión de1 fases distintas de los diferentes materiales permite una mejor previsibilidad en el desempeño del electrodo. Otros ejemplos incluyen regiones que son paralelos en un plano individual tal como regiones entrelazadas de los dos materiales, en un formato de tablero de ajedrez de formas equivalentes o tiras alternantes de cada material.
El electrodo negativo del dispositivo de almacenamiento eléctrico puede comprender un material electroactivo de energía alta seleccionada de uno o más del grupo que consiste de cadmio, cloruros de metal, plomo y zinc. En una modalidad, el material electroactivo de energía alta es plomo.
El electrodo positivo del dispositivo de almacenamiento eléctrico puede comprender un material electroactivo de energía alta seleccionado de uno o más de grupo que consiste de óxido de níquel, óxido de plomo y plata. En una modalidad, el material electroactivo de energía alta es dióxido de plomo.
En una modalidad, el electrodo positivo ¡ es un electrodo positivo de dióxido de plomo y el electrodo negativo es un electrodo negativo de plomo esponjoso. El electrolito es preferiblemente una solución de electrolito de ácido sulfúrico.
En una modalidad, el dispositivo de almacenamiento eléctrico comprende por lo menos un electrodo positivo basado en dióxido de plomo y por lo menos un electrodo négativo basado en polvo esponjoso en una solución de electrolito de ácido sulfúrico, en donde el electrodo negativo comprende:
un colector de corriente;
una primera capa depositada sobre el colector de corriente, la primera capa que comprende¦ plomo esponjoso; ! una segunda capa en contacto con la primera; capa, la segunda capa que comprende una esterilla eléctricamente conductiva que comprende una ;red de fibras de carbono conductivas eléctricamente interconectadas ;
una tercera capa depositada sobre la segunda capa, la tercera capa que comprende un segundo material electroactivo,
en donde el plomo esponjoso tiene una densidad de energía más alta que el segundo material electroactivo, y el segundo material electroactivo tiene una capacidad de velocidad más alta que el plomo esponjoso. El dispositivo de almacenamiento eléctrico comprende típicamente además un separador co-conductivo poroso que separa por lo menos un electrodo positivo basado en dióxido de plomo y por lo menos un electrodo negativo basado en plomo esponjoso.
Las modalidades anteriores de los dispositivos de almacenamiento eléctrico pueden reducir o prevenir problemas de sulfatación en los dispositivos que tienen tales problemas, por ejemplo baterías de plomo-ácido de alto desempeño operadas bajo estado de carga parcial de velocidad alta. En una modalidad, se proporciona un uso de los dispositivos de almacenamiento eléctrico de acuerdo con las modalidades descritas en lo anterior bajo condiciones de estado de carga parcial (PSoC) en el intervalo de aproximadamente 20-100% (por ejemplo típico para vehículos eléctricos), en el intervalo de aproximadamente 40-60% (por ejemplo típico de vehículos eléctricos híbridos) , o en el intervalo de aproximadamente 70-90%) (por ejemplo típico para vehículos eléctricos semi-híbridos ) .
Electrolito
Se apreciará que los diferentes sistemas de electrolito se requerirán usualmente para diferentes tipos de baterías y dispositivos de almacenamiento de energía. En el caso de baterías de plomo-ácido, se puede usar cualquier electrolito ácido adecuado. El electrolito puede estar en la forma de un líquido o un gel . Para baterías de plomo-ácido, el electrolito es típicamente un electrolito de ácido sulfúrico. En el caso de los otros tipos de baterías, el electrolito puede ser un electrolito acuoso u orgánico, incluyendo álcalis tales como potasio y otros hidróxidos, solventes orgánicos que contienen litio-ión, electrolitos de polímero, electrolitos líquidos iónicos en estado líquido sólido y así sucesivamente. Los electrolitos adecuados para los materiales de electrodo positivos y negativos de baterías seleccionados se pueden seleccionar rutinariamente por una persona experta en la técnica.
Barras Colectoras o Conductores
La barra colectora de una batería de plomo-ácido puede ser de cualquier construcción adecuada, y se puede hacer de cualquier material conductivo adecuado conocido en la técnica. El término "conectado a" usado en el contexto de las barras colectoras se refiere a la conexión eléctrica, aunque se prefiere el contacto físico directo. En el caso donde la batería no es de una configuración de batería de plomo-ácido típica con barras colectoras, cualquier conductor se puede usar y la configuración y materiales será bien conocida en la técnica.
Otras Características de Batería
En general, los componentes de la batería se concentran dentro de una caja de batería con características adicionales apropiadas al tipo de batería empleada. Por ejemplo, en el caso de baterías de plomo-ácido, la batería de plomo-ácido puede ser ya sea de un diseño de electrolito inundado o de un diseño regulado por válvula. Donde la batería de plomo-ácido es una batería de plomo-ácido regulada por válvula, la batería puede ser de cualquier diseño adecuado, y por ejemplo puede contener electrolito en gel. Las características específicas de la unidad de batería apropiadas para tales diseños son bien conocidas en la técnica de la invención.
La presión que se puede aplicar a la batería de plomo-ácido puede estar en el intervalo de 5-20 kPa para diseño de electrolito inundado, y de 20-80 kPa para un diseño de batería de plomo-ácido regulada por válvula.
Separadores
En general, cada uno de los electrodos positivos y negativos se separa de electrodos adyacentes por separadores porosos. Los separadores mantienen una distancia de separación apropiada entre electrodos adyacentes. Los separadores localizados entre los electrodos negativos basados en plomo inmediatamente adyacentes y los electrodos positivos basados en dióxido de plomo se pueden hacer de cualquier material poroso adecuado comúnmente usado en la técnica, tal como materiales de polímero poroso o microfibra de vidrio absorbente ("AGM") . La distancia de separación (que corresponde al espesor del separador) es en general de 1-2.5 milímetros para estos separadores. Los materiales de polímero adecuados útiles para formar los separadores entre los electrodos positivos y negativos que forman la parte de la batería son polietileno y AGM. Los separadores de polietileno son adecuados entre 1 y 1.5 milímetros de espesor, mientras que los separadores de AGM son apropiadamente entre 1.2 y 2.5 milímetros de espesor.
En el caso de los separadores localizados entre el electrodo positivo y el electrodo negativo de capacitor, estos son adecuadamente mucho más delgados que los separadores de la parte de batería de la batería de plomo-ácido. Ventajosamente, los separadores son entre 0.01 y 0.1 milímetros de espesor, y más preferiblemente entre 0.03 y 0.07 milímetros de espesor. Estos separadores se hacen adecuadamente de material de polímero microporoso tal como polipropileno microporoso. Otros separadores son AGM y el espesor de este tipo de separadores es de entre 0.1 y 1 milímetro, y preferiblemente entre 0.1 y 0.5 milímetros.
Formación de las baterías de plomo-ácido
Después del ensamble de los componentes apropiados juntos en una caja de batería, la batería de plomo-ácido necesita en general ser formada. La operación de formación es bien conocida en el campo. Se va a entender que las referencias a materiales "basados en plomo" y "basados en dióxido de plomo" se usan para referirse a plomo o dióxido de plomo solo, materiales que contienen el metal/dióxido de metal o a los materiales que se convierten en plomo o dióxido de plomo, según sea el caso en el electrodo dado.
Como se indica por el lenguaje usado en lo anterior, la batería de plomo-ácido contiene por lo menos uno de cada tipo de electrodo. El número de celdas individuales (constituidas de una placa negativa y positiva) en la batería depende del voltaje deseado de cada batería. Para una batería de 36 voltios apropiada para el uso como una batería de vehículo eléctrico semi-híbrido (que se puede cargar hasta con 42 voltios), esto implicaría el uso de 18 celdas.
Arreglo de Electrodos
En general los electrodos positivos y negativos se intercalan, de modo que cada electrodo positivo tiene un electrodo negativo a un lado de él. Sin embargo, se apreciará que otros arreglos de electrodo se pueden utilizar dependiendo de la aplicación ideada.
Operación
Un electrodo que comprende material de capacitor de velocidad alta tendrá una resistencia interna más baja que un electrodo que comprende material de batería de energía alta solamente, y por lo tanto el electrodo con material de capacitor de velocidad alta absorberá y liberará cargas durante la carga de velocidad alta (para generar el frenado) o durante la descarga de velocidad baja (aceleración del vehículo y arranque del motor) antes de que un electrodo que comprende material de batería de energía alta solamente. Un electrodo que comprende material de batería de energía alta permite propiedades de alto desempeño y proporcionará una batería de plomo-ácido con vida significativamente más prolongada. Los electrodos que comprenden tanto material de batería de energía alta como material de capacitor de velocidad alta proporcionan un diseño simple y efectivo que permite el desempeño de velocidad alta junto con propiedades de energía alta comúnmente asociados con las baterías de plomo-ácido .
En relación con las baterías de plomo-ácido, la formación de sulfato de plomo puede llevarse a cabo en una superficie de electrodo durante la carga y descarga de corriente alta de la batería, que de acuerdo con una modalidad de la presente invención se puede minimizar al usar un material electroactivo de velocidad alta en combinación con una esterilla eléctricamente conductiva.
Cada par de celdas o electrodo de batería puede proporcionar un voltaje de 2 voltios. Una batería de plomo-ácido de una modalidad adecuada para el uso en el amplio intervalo de aplicaciones de batería de vehículo eléctrico puede contener 8 electrodos negativos y 9 electrodos positivos, con 4 de los electrodos negativos que son electrodos negativos basados en plomo. Las variaciones en este arreglo y los números relativos de electrodos también son adecuados, con la condición de que exista un mínimo de uno de cada electrodo.
Aditivos Particulares para Electrodos
Si existe una incompatibilidad en la ventana potencial o la velocidad operacional potencial de uno de los electrodos, se puede llevar a cabo la liberación de gas hidrógeno y/u oxígeno. Al suprimir la liberación de gas hidrógeno, los electrodos pueden incluir un aditivo o mezcla de aditivos que comprenden un óxido, hidróxido o sulfato de plomo, zinc, cadmio, plata y bismuto y una mezcla de los mismos. En general, se prefiere que el aditivo incluya por lo menos un óxido, hidróxido o sulfato de plomo o zinc. Para conveniencia, el aditivo es adecuadamente uno o más óxidos seleccionados de óxido de plomo, óxido de zinc, óxido de cadmio, óxido de plata y óxido de bismuto. Un electrodo puede comprender el aditivo además del material de capacitor de velocidad alta y/o material de batería de energía alta. Debido a las razones de toxicidad, no se prefieren los compuestos de cadmio, y por lo tanto la composición comprende preferiblemente un compuesto de plomo y/o compuesto de zinc, y opcionalmente un compuesto de plata. Por razones de costo, el óxido de plata y el óxido de bismuto se evitarían usualmente .
Independientemente de la forma en la cual el aditivo se adiciona, en contacto con el electrolito (por ejemplo ácido sulfúrico) el aditivo puede reaccionar y se convierte en otro compuesto de metal derivado del óxido de metal original, sulfato o hidróxido. Las referencias en los óxidos, sulfatos e hidróxidos de los aditivos sujetos se van a leer por abarcar los productos de las reacciones entre los aditivos y el electrolito. Similarmente , si durante el estado cargado o descargado del dispositivo de almacenamiento eléctrico el aditivo se convierte en otra forma a través de reacciones redox, las referencias a los óxidos, sulfatos o hidróxidos se van a leer por abarcar los productos de las reacciones redox en estos aditivos.
En una modalidad, el aditivo comprende: Pb203 ("plomo rojo"); un óxido, hidróxido o sulfato de antimonio; y opcionalmente uno o más aditivos seleccionados de óxidos, hidróxidos y sulfatos de hierro y plomo.
El compuesto de antimonio es benéfico en suprimir la liberación de gases (oxígeno) en el electrodo positivo. Sin embargo, si migra al electrodo negativo, produce un efecto adverso en la liberación de gas hidrógeno y ese electrodo. En ausencia de un agente para fijar el compuesto de antimonio al electrodo positivo, cuando el compuesto de antimonio entra en contacto con el electrolito, puede disolverse en el electrolito y ser depositado en el electrodo negativo cuando se aplica una corriente. El plomo rojo se usa para fijar o prevenir la transferencia de antimonio al electrodo negativo. Los compuestos (es decir, óxidos, sulfatos o hidróxidos) de plomo y hierro también son ventajosos, y también se pueden usar en la mezcla de aditivos .
En cada caso, el aditivo se usa en una cantidad para evitar la liberación de gas hidrógeno y oxigeno. Esto en general una cantidad que incrementa la ventana potencial de electrodo negativo y positivo capacitor del típico ±0.9V o ±1.0V a por lo menos ± 1.2V, y preferiblemente por lo menos ±1.3V. En términos generales, el contenido de oxigeno total puede ser entre 5-40% en peso, con base en la composición de material activo total (incluyendo material de velocidad alta o energía alta, aglutinante, y cualquier otro componente en la composición de pastas secas) .
Un aditivo de electrodo negativo puede comprender entre 1-40% en peso de compuesto Pb (más preferiblemente 1-20%), 1-20% en peso de compuesto Zn (más preferiblemente 1-10%), 0-5% en peso de compuesto Cd y 0-5% en peso de compuesto Ag . Preferiblemente el total está dentro del intervalo de 5-40% en peso mencionado en lo anterior. El uso de aditivo ZnO solo proporciona buenos resultados, como lo hace el PbO solo, o una mezcla de PbO y ZnO.
Un aditivo de electrodo positivo puede comprender entre 0-30% en peso de Pb en forma de óxido, sulfato o hidróxido, 1-10% en peso de Pb2C>3 , 0-2% en peso de Fe en forma de óxido, sulfato o hidróxido y 0.05 a 1% en peso de Sb en forma de óxido, sulfato o hidróxido. Preferiblemente se adiciona Sb como un óxido. Preferiblemente el total está dentro de 5-40% en peso del intervalo mencionado en lo anterior .
Los aditivos para los electrodos de las baterías de plomo-ácido se pueden proporcionar como se plantea en lo anterior para evitar la liberación de gas hidrógeno. Los aditivos se pueden incluir para otros tipos de batería incluyendo baterías recargables de níquel, baterías recargables de metal de litio o ión de litio, y así sucesivamente. Los materiales de electrodo positivo de tipo de batería adecuados pueden incluir óxido de níquel óxido de plata, óxido de manganeso, materiales de polímero de litio, óxidos de litio mezclados incluyendo óxidos de níquel de litio, óxidos de cobalto de litio, óxidos de manganeso de litio y óxidos de vanadio de litio, y materiales de cátodo de polímero conductivo de litio. Los materiales de electrodo negativo de tipo de batería adecuados pueden incluir, zinc, cadmio, hidruros de metal, litio en metal o forma de aleación con otros metales tales como aluminio, y materiales de intercalación de ión de litio. Los detalles .de, y alternativas para, estos materiales de electrodo usados en varios tipos de batería se pueden compilar de varias publicaciones en la técnica de la invención.
Proceso de Fabricación
Un proceso para fabricar un electrodo como se describe en la presente puede comprender formar un'a capa compuesta que comprende por lo menos uno del primer material electroactivo y el segundo material electroact ivo depositado sobre y/o incorporados dentro de la esterilla eléctricamente conductiva; y acoplar la capa compuesta al colector de corriente.
El colector de corriente que se acopla: puede incluir un depósito, capa o recubrimiento del primer material electroactivo, el segundo material electroactivo, ; otros aditivos o mezclas de aditivos, otros materiales de electrodo, o combinaciones de los mismos. El proceso puede comprender además formar un recubrimiento del primer material electroactivo en el colector de corriente, y acoplar la capa compuesta al recubrimiento del primer material electroactivo en el colector de corriente.
El primer material electroactivo, el 'segundo material electroactivo y la esterilla eléctricamente conductiva, de acuerdo con las diversas modalidades para estas características como se describe en este documento. Una capa compuesta, tal como una esterilla eléctricamente conductiva recubierta con un material de electrodo de material electroactivo de velocidad alta, se puede formar en una lámina en capas que permite que se corte a un tamaño predeterminado durante el procesamiento (Figura 13) .
Con respecto al procesamiento y fabricación de un dispositivo o electrodo, la esterilla eléctricamente conductiva puede proporcionar una variedad de ventajas. Por ejemplo, las capas compuestas que comprenden .la esterilla eléctricamente conductiva se puede pre-elaborar y almacenar y luego almacenar en el electrodo o dispositivo en el tiempo apropiado, que proporciona ciertas eficiencias en la fabricación de tales electrodos o dispositivos. Por ejemplo, una capa compuesta se puede aplicar, simultáneamente, a cada lado de un electrodo de dos lados para proporcionar un proceso de manufactura eficiente para tal electrodo (Figura 14) .
Se apreciará por las personas expertas en la técnica que se pueden hacer numerosas variaciones y/o modificaciones a la invención como se muestra en las modalidades específicas sin apartarse del espíritu o alcance de la invención como se describe ampliamente. Las presentes modalidades, por lo tanto, van a ser consideradas en todos los aspectos como ilustrativas y no restrictivas.
Se va a entender que, si cualquier publicación de la técnica anterior es referida en la presente, tal referencia no constituye una admisión de que la publicación forma una parte del conocimiento general común en la técnica, en Australia o en cualquier otro país.
En las reivindicaciones que siguen y en la descripción anterior de la invención, excepto donde el contexto lo requiera de otra manera debido a expresar el lenguaje o implicación necesaria, la palabra "comprenden" o variaciones tales como "comprende" o "que comprende" se usa en un sentido inclusivo, es decir para especificar la presencia de características establecidas pero no impedir la presencia o adición de características adicionales en varias modalidades de la invención.
EXPERIMENTACIÓN
1. Preparación de Electrodos Negativos y Positivos
Material electroactivo de energía alta para el electrodo negativo se formó en una pasta al mezclar óxido de plomo, negro de carbón, fibras de plástico, expansor y solución de ácido sulfúrico. Después esto se formó en pasta en una rejilla de aleación de plomo que tiene las siguientes dimensiones: espesor: 1.7 mm, altura: 75 mm y ancho: 75 mm.
El material electroactivo de energía alta para el electrodo positivo se formó en una pasta al mezclar óxido de plomo, fibras de plástico y solución de ácido sulfúrico, pero sin el expansor. Después esto se formó en pastas sobre el mismo tipo de rejillas como se usa para los electrodos negativos .
Los electrodos se curaron y se secaron y después se ensamblaron en una celda. El electrodo negativo se intercaló entre dos electrodos positivos y se separó con separadores de polímero. La celda después se adicionó con ácido sulfúrico 1.07 sg. Los electrodos sometidos a la formación convierten el material electroactivo de energía alta del electrodo positivo en dióxido de plomo (Pb02) y el material elect oactivo de energía alta del electrodo negativo en plomo esponjoso. Después de la formación, los electrodos se lavaron con agua y se secaron.
Las Figuras la y Ib muestran un proceso por etapas para lograr dos tipos de arreglos sobre un electrodo (112 y 114) que implica la aplicación de una esterilla eléctricamente conductiva y material electroactivo de velocidad alta a un colector de corriente ya recubierto con material electroactivo de energía alta. Como se muestra en la Figura la, un colector de corriente (102) se recubre con un material de plomo electroactivo de energía alta (104) para proporcionar un electrodo negativo formado (106) (es decir un colector de corriente que comprende ya el material electroactivo de energía alta) . Ambos lados del electrodo negativo formado (106) se puede cubrir cada uno con una esterilla eléctricamente conductiva en la forma de una lámina no tejida de fibra de carbono (108) . El material electroactivo de velocidad alta (110) después se puede formar en pasta sobre las láminas de fibra de carbono para formar un electrodo que comprende tanto el material electroactivo de velocidad alta como de velocidad baja (112) que proporciona capacidad de energía alta y velocidad alta, que también se puede referir en general como un electrodo "híbrido" o "compuesto". El material electroactivo de velocidad alta usado fue carbón activado, que preferiblemente tiene una área superficial de aproximadamente 2000 m2/g y se prepara en la forma de una pasta al usar una mezcla aglutinante de neopreno y carboximetilcelulosa . Por ejemplo, un material de pasta de capacitor puede comprender 85% de carbón activado y 15% de mezcla aglutinante. Un arreglo alternativo de este electrodo híbrido se muestra en la Figura Ib, en donde el material de capacitor de velocidad alta (110) se puede recubrir inicialmente sobre el electrodo negativo formado (106) (es decir, un electrodo que ya comprende un recubrimiento de material electroactivo de energía alta) y luego se cubre con una lámina de fibra de carbono (108) . En el presente arreglo, los colectores de corriente para los electrodos se formaron de rejillas de plomo plano y después el proceso anterior se aplicó a cada lado de las rejillas planas. Los electrodos compuestos después se secaron a 80°C durante 1 h.
La composición de pasta para el material electroactivo de energía alta para el electrodo negativo de plomo comprendió óxido de plomo (Ikg), fibra 0.8 g, BaS04 15.0 g, de negro de carbón 12 g, vanisperse 3 g, H2SO4 (1.36 rel.dens.) 86.6 mi, 140 mi de agua, relación de ácido a óxido 5.5% y densidad de pasta 4.1 g/cm3. La composición de pasta para el electrodo positivo de dióxido de plomo comprendió óxido de plomo 1 kg, fibra 0.8g, H2S04 (1.360 rel.dens.) 120 mi, 90 mi de agua, relación de ácido a óxido 5.4% y densidad de pasta 4.2 g/ml. el óxido de plomo se convirtió en óxido de plomo y plomo para las técnicas de formación para formar el electrodo negativo. Se apreciará que el vanisperse y BaSC^ (conocido como un expansor) facilita la porosidad y dispersión de Pb y P S0 al prevenir el crecimiento de partículas grandes durante la operación.
El material electroactivo de velocidad alta se hizo de 45% en peso de negro de carbón con área superficial específica de 60 m2/g, 4% en peso de carboximetil celulosa, 11% en peso de neopreno, y 35% en peso de carbón activado con área superficial específica de 1500 m2 g-1 y 5% en peso de fibra de plástico.
Se prepararon cuatro tipos de celdas en donde cada celda tuvo un arreglo diferente de electrodo negativo de acuerdo con aquella descrita en la Tabla 1 a continuación.
Tabla 1: Celdas de Prueba que comprenden diferentes electrodos negativos.
No. De Electrodo/placa positiva Electrodo/placa celda negativa
1 Composición de placa Composición de placa
( control ) positiva convencional que negativa convencional comprende un colector de que comprende un corriente de lomo colector de corriente recubierto con un de plomo recubierto material de plomo con un material de electroactivo de energía plomo electroactivo alta de energía alta (es decir sin ningún recubrimiento
capacitor
electroactivo de velocidad alta) .
2 Como con la celda 1 Ambos lados de la placa negativa para la celda 1 recubierta con el material de capacitor
electroactivo de velocidad alta.
3 Como con la celda 1 Ambos lados de la placa negativa para
La celda 3 en la Tabla 1 anterior comprende después un electrodo negativo formado de acuerdo con el arreglo del electrodo (112) en la Figura la, y la celda 4 en la Tabla 1 arriba comprende un electrodo negativo formado de acuerdo con el arreglo del electrodo (114) en la Figura Ib.
Las Figuras 2a y 2b reiteran un proceso por etapas para lograr dos tipos de arreglos como se muestra en las Figuras la y Ib, respectivamente, aunque el proceso por etapas inicia con un colector de corriente formado de una rejilla de aleación de plomo (102) . Las características como se describen en lo anterior para las Figuras la y Ib aplican respectivamente a aquellas de las otras características proporcionadas en las Figuras 2a y 2b.
Después se curaron y se secaron los electrodos híbridos y compuestos. Los electrodos negativos compuestos secos y las contrapartes positivas, junto con el separador se ensamblaron en un contenedor de celda y el contenedor se rellenó con solución de ácido sulfúrico. Se aplicó una corriente dada para un tiempo dado para convertir el óxido de plomo, sulfato de plomo básico y sulfato de plomo a dióxido de plomo a los electrodos positivos y plomo esponjoso en los electrodos negativos.
La esterilla eléctricamente conductiva usada fue una lámina de fibra de carbono (no tejida), que fue un producto comercial suministrado por Hollingsworth y Vose, EUA, que tiene las propiedades:
• Peso básico: 10 g/m2
• Espesor: 0.063 mm
• Tensión MD: 0.91 kN/m
' Tensión CD: 0.52 kN/m
• Resistividad superficial: 6.5 DC O/m2
La lámina de fibra de carbono usada es preferiblemente delgada, con las dos ventajas particulares de proporcionar una estructura parcialmente ordenada que asegura la buena conductancia de electrones a lo largo de las fibras, y una fijación espacial casi estacionaria de las fibras que aseguran buen contacto entre ellas. Como con otros materiales de carbono, la lámina tiene baja resistencia interna lo cual es una característica del requerida para el uso en un capacitor electroquímico. La lámina ayuda a mantener la estructura del material electroactivo de velocidad alta que se ha identificado que se derrama parcialmente durante el ciclo, y esto se puede reducir o prevenir cuando el material electroactivo de velocidad alta se deposita sobre y/o se incorpora en la lámina de fibra de carbono.
2. Resultados de Desempeño de las Configuraciones de Electrodo de las Celdas 1-4
La Figura 3 muestra los aparatos experimentales usados para someter a prueba el desempeño de las celdas 1-4 (Tabla 1) . Los electrodos negativos (302) se cubrieron con un separador de esterilla de polímero/vidrio (304) y se colocaron entre dos electrodos positivos (306) . Los dos electrodos positivos se conectaron por una lengüeta de plomo puro (308) . Los electrodos, junto con los separadores, después se colocaron en una bolsa de plástico (no mostrada) y el ensamble completo se colocó en el contenedor de celda (310) . Después se vació una solución de ácido sulfúrico 1.30 sg (312) en la bolsa de plástico. Un electrodo de referencia de plata/sulfato de plata (313) se insertó en la bolsa de plástico para medir el potencial de los electrodos positivos y negativos durante la prueba. Después de empapar los electrodos durante 30 min, la celda se cargó completamente y se determinó la capacidad de una hora. Después de la determinación de la capacidad, la celda se sometió a pruebas de ciclo bajo diferentes compresiones de celda. La fuerza de compresión requerida se logró al hacer girar el perno (314) en el sentido de las manecillas del reloj que empujó la celda de plomo (316) y el pistón (318) contra el grupo de celdas para proporcionar un valor compresivo deseado. El desempeño de ciclo de las celdas 1-4 (Tabla 1) se evaluó bajo amplios intervalos de fuerza de compresión, por ejemplo 10 a 90 kPa.
La Figura 4 muestra el perfil de prueba que implica la secuencia de carga y descarga usada con el equipo de prueba y el arreglo de acuerdo con la Figura 3 como se describe en lo anterior bajo un Aparato Experimental. El perfil de prueba se muestra en la Figura . El procedimiento de prueba fue:
(i) Descargar en una corriente de C A a 50% de SoC (C = 1-h capacidad de la celda) ;
(ii) permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 1 hora (tiempo de descanso) ;
(iii) Cargar la celda en un voltaje constante de 2.45 V con una corriente máxima de 4C A durante 30 a 33 s (observar, que la variación en el tiempo de carga es debido al mantenimiento de la cantidad igual de la entrada de carga durante esta etapa de carga y la salida de carga durante la etapa de descarga v) ;
(iv) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(v) Descargar la celda en una corriente de 4C A durante 30 s;
(vi) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(vii) Repetir la etapa (iii) a la etapa (vi) hasta que el voltaje de celda alcance el valor de corte de 1.83 V durante la etapa de descarga.
La Figura 5 es una gráfica que muestra el desempeño de ciclo bajo diferentes fuerzas de compresión para las celdas 1-4 (Tabla 1) dirigidas a cuatro configuraciones de electrodo diferentes. Para un tipo dado de celda, en general, el incremento del número de ciclo con el incremento de fuerza de compresión muestra tres regiones con diferentes velocidades de incremento, principalmente las regiones I, II y III. El cambio en el número de ciclo con el incremento de la fuerza de compresión se puede ilustrar esquemáticamente en la Figura 6. El incremento en el número de ciclo con la fuerza de compresión de celda es bajo en la región I donde la fuerza de compresión de celda es aun baja. El número de ciclo comienza para incrementarse cuando la fuerza de compresión alcanza un cierto valor (región II). Finalmente, el incremento en el número de ciclo disminuye y está habitualmente sin cambio cuando la fuerza de compresión está más allá de un cierto valor.
En la región I, existe un incremento lento del número de ciclo con el incremento en la fuerza de compresión similar para todas las celdas 1-4. Con referencia a la Figura 5, la celda 1 (placa negativa formada sin recubrimiento de material electroactivo de velocidad alta) o esterilla eléctricamente conductiva) se muestra por la curva "1", Celda 2 (placa negativa formada recubierta con material electroactivo de velocidad alta pero sin ninguna lámina de fibra de carbono) se muestra en la curva 2, Celda 3 (placa negativa formada recubierta con material de capacitor electroactivo de velocidad alta y luego cubierta con una lámina de fibra de carbono) se muestra por la curva "3", y la celda 4 (placa negativa formada recubierta con una lámina de fibra de carbono y luego recubierta con material de capacitor) se muestra por la curva "4". La referencia a "placa negativa formada" significa un colector de corriente recubierto con un material electroactivo de energía alta, que en la presente prueba fue un material basado en plomo convertible en un material basado en dióxido de plomo. El incremento en el número de ciclo entre cada celda se mostró que está en el orden de: Celda 1 < Celda 2 < Celda 3 < Celda 4.
En la región II, el incremento en el número de ciclo con el incremento de la fuerza de compresión en cada celda se compara más rápido con aquella en la región I y el incremento en el número de ciclo entre las celdas sigue el orden: Celda 1 < Celda 2 < Celda 3 < Celda 4.
En la región III, el nivel final del número de ciclo es mayor para las celdas en el siguiente orden: Celda 1 < Celda 2 * Celda * Celda 4.
En conclusión, la Celda 3 y la Celda 4 muestran un incremento más rápido en el número de ciclo que la Celda 1 y la Celda 2 y ambas de estas celdas alcanzan el nivel 1 máximo del número de ciclo cuando la fuerza de compresión es mayor que 60 kPa . Por otra parte, la Celda 1 y la Celda 2 alcanzan su número de ciclo máximo correspondiente cuando las fuerzas de compresión son mayores que 80 y 70 kPa, respectivamente. Esto indica que la adición de la lámina no tejida de fibra de carbono ayuda a la Celdas 3 y 4 alcanzar el número de ciclo máximo más rápido que la Celdas 1 y 2 aun en la fuerza de compresión más baja, por ejemplo, 60 kPa.
3. Función de la Esterilla Eléctricamente Conductiva
La siguiente etapa implicó los experimentos (Figuras 7-10) para descubrir si la adición de una lámina no tejida de fibra de carbono facilitada: a (i) mantiene el material capacitado electroactivo de velocidad alta junto y por lo tanto incrementa la conductividad asi como también la resistencia mecánica de la capa de capacitor; (ii) proporciona energía adicional y potencia a la capa de capacitor; (iii) ambos incrementan la conductividad y resistencia mecánica de la capa de capacitor y proporcionan energía y potencia adicional.
La lámina no tejida de fibra de carbono se cortó a la forma con altura (75 mm) y ancho (75 mm) similar a aquellos de las rejillas de aleación de plomo usadas para los electrodos de plomo-ácido positivos, pero con diferentes espesores (por ejemplo, 0.5 mm para la lámina no tejida de fibra de carbono vs. 1.7 mm para la rejilla de aleación de plomo positivas). La lámina no tejida de fibra de carbono se cubrió con un separador de esterilla de vidrio y se intercaló entre dos electrodos de plomo-ácido positivos (energía alta) . Los dos electrodos positivos se conectaron por una lengüeta de plomo puro. Los electrodos junto con los separadores, se colocaron en una bolsa de plástico y el ensamble completó se colocó en el contenedor de celda. Después se vació una solución de ácido sulfúrico 1.30 sg en la bolsa de plástico. Después de empapar los electrodos durante 30 min, la celda se sometió al siguiente perfil:
(i) Cargar la celda en un voltaje constante (2.45 V) con una corriente máxima de 0.02 A durante 20 s;
(ii) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(iii) Descarga la celda en una corriente de 0.02 A hasta que el voltaje de la celda alcance un valor de corte de 1 V;
(iv) Permitir que la celda permanezca en un circuito abierto durante 10 s;
(v) Recargar la celda en un voltaje constante de 2.45 V con una corriente máxima de 0.02 A durante 20 s;
(vi) permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(vii) Repetir la etapa (iii) a la etapa (vi) durante 10 veces.
La Figura 7 muestra los cambios en el voltaje de celda, potencial de electrodo positivo y potencial de electrodo negativo durante la carga y descarga a 20 mA en un ciclo. La Figura 8 muestra los cambios en el voltaje de celda y el potencial de electrodo negativo con el tiempo para un conjunto de 10 ciclos. Es claro que el voltaje de celda y el potencial de electrodo negativo desciende rápidamente a 1 V y -0.1 V dentro de 1.0 segundos. En consecuencia, la capacidad de descarga de la lámina no tejida de fibra de carbono es muy pequeña, particularmente de aproximadamente 0.005 a 0.013 mAh . El peso de la lámina no tejida de fibra de carbono es 0.38 g y por lo tanto, la capacidad especifica es de 0.013 a 0.034 mAh por gramo.
La Figura 9 muestra los cambios en el voltaje de celda, el potencial de electrodo positivo y el potencial de electrodo negativo durante la descarga y carga a 50 mA en un ciclo (observar, la cantidad de entradas de carga durante la etapa de carga subsecuente es de 20% mayor que aquella de la etapa de descarga previa) . La Figura 10 muestra los cambios en el voltaje de celda y el potencial de electrodo negativo con el tiempo para un conjunto de cuatro ciclos. Diferentes a la lámina no tejida de fibra de carbono puro, el material de capacitor recubierto con lámina no tejida de fibra de carbono da un tiempo de descarga mucho más prolongado y por lo tanto, una capacidad mucho más alta, particularmente de 20-25 mAh vs. 0.005-0.01 mAh. El peso del material de capacitor recubierto con lámina de fibra de carbono es de 1.92 g y por lo tanto, la capacidad especifica del capacitor recubierto con lámina de fibra de carbono comparado con aquel de la lámina pura es de 10.417 a 13.021 mAh por gramo vs . 0.013 a 0.034 mAh por gramo. Esto indica que la lámina no tejida de fibra de carbono se adiciona para incrementar tanto la resistencia mecánica como la conductividad de la capa de capacitor, sin proporcionar energía adicional o potencia.
El siguiente experimento se estableció para descubrir si, durante la formación de pasta, el material de capacitor electroact ivo de velocidad alta podría pasar o no a través de la lámina no tejida de fibra de carbono y hacer contacto con una superficie adyacente de una placa negativa de plomo-ácido. El material de capacitor electroactivo de velocidad alta se preparó al mezclar el negro de carbón, carbón activado, aglutinante y agua. La pasta de capacitor luego se aplicó sobre el área media de la lámina no tejida de fibra de carbono, que se colocó sobre un papel blanco. Se observó que dependiendo de la porosidad de la lámina no tejida de fibra de carbono, el material de capacitor puede o no transferirse a través de una superficie adyacente. Esto indica que el uso de láminas no tejidas de fibra de carbono se puede especificar por tener una porosidad que evita que el material de capacitor electroactivo de velocidad alta o pasta el mismo se filtre o mueve a través de la lámina de fibra de carbono a una superficie opuesta.
4. Desempeño del Material Electroactivo de Velocidad Alta
La siguiente etapa implicó experimentos para descubrir la composición óptima del material electroactivo de velocidad alta (capacitor) . Se prepararon cuatro tipos de composiciones de capacitor como se muestra en la Tabla 2 y se recubrieron sobre cuatro láminas no tejidas de fibra de carbono, que tienen la misma propiedad y se obtuvieron de Hollinsgworth y Vose company. Esta lámina de carbono se cortó para formarse con altura de 75 rom y ancho de 75 mm similar a aquella del electrodo del plomo-ácido positivo.
Tabla 2. Celdas de prueba que comprenden diferentes
electrodos de capacitor
Tipo Lámina no Composición de Capacidad en Nota: u la muestra se obtuvo de Hollingsworth & Vose
Company, EUA.
21 4% en peso de carboximetil celulosa, 11% en peso de neopreno, y 5% en peso de fibra de plástico para tipos 1 a 3 y la fibra de plástico se removió adicionalmente para el tipo 4.
31 descarga a 50 mA.
La configuración del sistema usada para la celda de prueba tipos 1-4 de la Tabla 2 se muestra en la Figura 11. El electrodo de capacitor comprendió una lámina no tejida de fibra de carbono (324) y material de capacitor (326) y la lámina no tejida de fibra de carbono actúo como un colector de corriente en esta modalidad. El electrodo de capacitor se cubrió con un separador de esterilla de vidrio (322) y se intercaló entre dos electrodos de plomo-ácido positivos (energía alta) (320). Para el contacto eléctrico, la lengüeta de lámina no tejida de fibra de carbono se sujetó por dos láminas de metal de plomo (334). El grupo de placa después se colocó horizontalmente en un contenedor de plástico. Se cargó un bloque de plomo de 15 kg (332) en la lámina de plástico colocada sobre el grupo de placa para proporcionar una fuerza de compresión de 10 kPa como se muestra en la Figura 11. Se vació una solución de ácido sulfúrico 1.30 sg (328) en el contenedor de celda al nivel ligeramente más alto que el electrodo positivo superior y se insertó un electrodo de referencia de plata/sulfato de plata (330). Después de empapar los electrodos durante 30 minutos, la celda se sometió al siguiente perfil:
(i) Cargar la celda en un voltaje constante (2.45 V) con una corriente máxima de 0.02 A durante 1 h;
(ii) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(iii) Descargar la celda en una corriente de 0.05 A hasta que el voltaje de celda alcance un valor de corte de 1 V;
(iv) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(v) Recargar la celda en un voltaje constante de 2.45 V con una corriente máxima de 0.05 A hasta que se alcance una sobrecarga de 20%;
(vi) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(vii) Repetir la etapa (iii) a la etapa (vi) durante 10 veces .
La capacidad en el lOmo. ciclo también se da en la Tabla 2. Muestra que la capacidad se incrementa con el incremento del carbón activado y la reducción, o aun la remoción, del carbón activado. Esto indica que la lámina no tejida de fibra de carbono tiene suficiente conductividad de modo que el material electroactivo de velocidad alta no requiere la adición del negro de carbón.
5. Desempeño de la Esterilla Eléctricamente Conductiva
También se establecieron los experimentos para descubrir las láminas no tejidas de fibra de carbono óptimas. El aparato anterior (ver Figura 11) y el procedimiento de prueba se usaron en este experimento. La misma composición electroactiva de velocidad alta (capacitor), es decir, 10% en peso de negro de carbón, 70% en peso de carbón activado, 4% en peso de carboximetil celulosa, 11% en peso de neopreno y 5% en peso de fibra de plástico, se usaron y se recubrieron sobre diferentes tipos de láminas no tejidas de fibra de carbono, particularmente 8000018, 8000030 (1 pulgada), 8000030 (0.5 pulgada), 8000040, 8000154. Estas láminas no tejidas de fibras de carbono tienen diferentes propiedades. Los resultados muestran que las láminas no tejidas de fibra de carbono de 8000030 (1 pulgada), 8000030 (0.5 pulgadas) y 8000040 dan desempeño similar.
El siguiente experimento se llevó a cabo para evaluar las tres láminas de fibra de carbono anteriores bajo corriente de descarga más alta (Figura 12) . El aparato experimental se modificó para que la celda fuera capaz de descargar y cargar en velocidades más altas. Las láminas no tejidas de fibra de carbono y láminas de metal de plomo puro (espesor = aproximadamente 1 mm) se cortaron a la forma con altura de 75 mm y ancho de 75 mm, que es similar a aquella del electrodo positivo de plomo-ácido. Las tres láminas de fibra de carbono se recubrieron con la misma composición de material de capacitor de velocidad alta de: 85% en peso de carbón activado, 4% en peso de carboxi metil celulosa y 11% en peso de neopreno (Tabla 3) . Cada lámina de fibra de carbono recubierta que comprendió la lámina no tejida de fibra de carbono (334) y el material de capacitor (336), se ensambló con una lámina de metal de plomo (338), un separador de esterilla de vidrio (340) y un electrodo de plomo-ácido positivo (342) en un contenedor de plástico como se muestra en la Figura 12. Diferente en la regla en la Figura 11, la lámina de metal de plomo actúo como el colector de corriente, que permitió que la corriente fluya a y de la capa del capacitor. Se vació una solución de ácido sulfúrico 1.30 sg en el contenedor de celda al nivel ligeramente más alto que el electrodo positivo superior. Después de empapar los electrodos durante 30 minutos, la celda se sometió al siguiente perfil:
(i) Cargar la celda en un voltaje constante (2.45 V) con una corriente máxima de 0.02 A durante 1 h;
(ii) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(iii) Descargar la celda en una corriente de 0.15 A hasta que el voltaje de celda alcance un valor de corte de 1 V;
(iv) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(v) Recargar la celda en un voltaje constante de 2.45 V con una corriente máxima de 0.15 A hasta que se alcance una sobrecarga de 20%;
(vi) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(vii) Repetir la etapa (iii) a la etapa (vi) durante 10 veces .
Los resultados muestran que con la modificación del electrodo de capacitor como se muestra en la Figura 12, las celdas fueron capaces de ser descargadas y cargadas en velocidades más altas comparadas con aquel arreglo en la Figura 11. Las tres celdas entregan diferencias no mayores en capacidad, particularmente en el intervalo de 175 a 180 mAh por gramo (Tabla 3). Esto indica que las láminas no tejidas de fibra de carbono, es decir, 8000030' (1 pulgada), 8000030 (0.5 pulgadas) y 8000040 se pueden usar como el soporte eléctricamente conductivo y mecánico para el material de capacitor .
Tabla 3. Celdas de prueba que comprenden diferentes
electrodos capacitores y su desempeño.
6. Desempeño del Material Electroactxvo de Velocidad Alta con Óxido de Plomo
También se llevaron a cabo experimentos para probar el efecto de la adición de óxido de plomo al material electroactivo de velocidad alta. Esto es para determinar si el material de capacitor puede proporcionar energía adicionada, es decir, que sea capaz de compartir energía con el material electroactivo de energía alta. El aparato de acuerdo con la Figura 12 se utilizó en este experimento. La composición electroactiva de velocidad alta (capacitor) se cambió para variar el óxido de plomo, de negro de carbón y el carbón activado. Se recubrió directamente sobre la lámina de plomo, o lámina no tejida de fibra de fibra de carbono (8000030 o 8000040). La composición y la configuración de celda se dan en la Tabla 4. El experimento se llevó a cabo para evaluar las diferentes composiciones y configuraciones bajo corriente de descarga más alta.
Tabla 4. Celdas de prueba que comprenden diferentes electrodos de capacitor y su desempeño.
Nota: 5% en peso de carboximetil celulosa, 10% en peso neopreno, 0% en peso de fibra de plástico
2) descarga a 0.5A, capacidad tomada en el ciclo 50
Las láminas no tejidas de fibra de carbono: y las láminas de metal de plomo puro (espesor = de aproximadamente 1 mm) se cortaron a la forma con altura de 75 mm y ancho de 75 mm, que es similar a aquella del electrodo positivo de plomo-ácido. Los 4 tipos de celda se recubrieron con las composiciones de óxido de plomo, negro de carbón y carbón activado como se lista en lo anterior (Tabla 4) con lo siguiente: 5% en peso de carboxi metil celulosa y 10% en peso de neopreno. Las Celdas 1 y 2 consistieron del material de capacitor de carbono de de velocidad alta formada en pasta directamente sobre las láminas de plomo (338) y luego se envolvieron con un separador de esterilla de vidrio (340) y se ensamblaron con un electrodo de plomo-ácido positivo (342) en un contenedor de plástico como es muestra en la Figura 12. Diferente al arreglo para las Celdas 1 y 2, las Celdas 3 y 4 tuvieron el material de capacitor de carbono de velocidad alta pegado sobre láminas no tejidas de fibra de carbono 8000040 y 8000030 (1 pulgada) (334) respectivamente. Estas luego se colocaron sobre la parte superior de la lámina de plomo (338) y luego se envolvieron con un separador de esterilla de vidrio (340) y se ensamblaron con un electrodo de plomo-ácido positivo (342) en un contenedor de plástico como se muestra en la Figura 12.
Se vació una solución de ácido sulfúrico 1.30 sg en el contenedor de celda al nivel ligeramente más alto que el electrodo positivo superior. Después de empapar los electrodos durante 30 min, la celda se sometió al siguiente perfil:
(i) Cargar la celda en un voltaje constante (2.45 V) con una corriente máxima de 0.02 A durante 1.5 h;
(ii) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante' 10 s;
(iii) Descargar la celda en una corriente de 0.5 A hasta que el voltaje de celda alcance un valor de corte de I V;
(iv) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(v) Recargar la celda en un voltaje constante de 2.45 V con una corriente máxima de 0.5 A hasta que se alcance una sobrecarga de 10%;
(vi) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(vii) Repetir la etapa (iii) a la etapa (vi) durante 50 veces
(viii) Repetir la etapa (ii) a la etapa (vii) con el voltaje de corte de 1.75 V en la etapa (iii)
Los resultados muestran que con la adición de óxido de plomo en el electrodo de capacitor, las celdas fueron capaces de ser descargadas en velocidades más altas comparadas con las celdas que no contuvieron óxido de plomo. Sin embargo, las capacidades dadas en la Tabla 4 con las celdas descargadas a 1.0 V son mucho más bajas comparadas con las capacidades de un capacitor de contenido de carbón activado alto (ver la Tabla 3) . La capacidad registrada en una descarga de 1.75 V es atribuida a óxido de plomo presente en el capacitor.
Las celdas anteriores luego se sometieron a otro experimento para someter a prueba su capacidad para aceptar corrientes más altas. Las celdas se sometieron al siguiente perfil :
(i) Cargar la celda en un voltaje constante (2.65 V) con una corriente máxima de 0.02 A durante 1.5 h;
(ii) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(iii) Descargar la celda en una corriente de 0.5 A durante 20 s;
(iv) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(v) Recargar la celda en un voltaje constante de 2.45 V con una corriente máxima de 70% de 0.5 A hasta que se alcance una carga de 100% al ajustar el tiempo;
(vi) Permitir que la celda permanezca en circuito abierto durante 10 s;
(ix) Repetir la etapa (iii) a la etapa (vi) hasta que el voltaje ce celda alcance un valor de corte de 1.75 V.
(x) Repetir la etapa (ii) a la etapa (vii) incrementando la corriente de descarga a 1 A. incrementar la corriente de carga a 1 A en la etapa (v) . Balancear la carga que va en la celda al ajustar el tiempo durante la carga (es decir la etapa (v) ) de modo que la carga sea igual a o mayor que la descarga. Si la corriente de descarga hace que la celda alcance el voltaje de corte entonces esto es la corriente de descarga máxima,
(xi) Repetir la etapa (ii) · a la etapa (vii) incrementando la corriente de descarga y las corrientes de carga hasta 2 A. Balancear la carga que va en la celda al ajustar el tiempo durante la carga (es decir la etapa (v) ) de modo que la carga es igual a o mayor que la descarga. Si la corriente de descarga se puede incrementar más allá de 2 A, entonces mantener la corriente de carga a 2 A y variar el tiempo para permitir que la carga iguale la descarga.
Los resultados de la Celda 1 se muestran en la Figura 13, la Celda 2 en la Figura 14, la Celda 3 en la Figura 15 y la Celda 4 en la Figura 16. Los resultados de la Celda 1 indican que fue capaz de mantener una corriente de descarga de hasta 0.5 A. Los resultados para las Celdas 2, 3 y 4 mostraron que la corriente de descarga se puede incrementar por hasta 5 A (89 mA cm"2) con una capacidad de hasta 4 mAh g"1.
7. Desempeño de una Celda Regulada por Válvula
También se llevaron a cabo experimentos para determinar el desempeño de una celda de 2 V de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA) que contiene una esterilla eléctricamente conductiva en la forma de una lámina no tejida de fibra de carbono que comprende el material de capacitor de velocidad alta. El aparato de acuerdo con la Figura 17 se usó en este experimento.
La composición electroactiva de velocidad alta (capacitor), consistió de 86% en peso de carbón activado, 4% en peso de carboximetil celulosa, y 10% en peso de neopreno (350), se recubrió sobre 8 piezas de láminas no tejidas de fibra de carbono 8000040 (352). Estas láminas se cortaron a la forma con altura de 75 mm y ancho de 75 mm, que es similar a aquella de los electrodos positivos de plomo-ácido (354) y electrodos negativos de plomo-ácido (356) . La celda tiene 4 electrodos positivos y 5 electrodos negativos. Las láminas no tejidas de fibra de carbono luego se colocaron sobre los electrodos negativos para que la lámina no tejida de fibra de carbono enfrente el electrodo negativo. Las láminas no tejidas de fibra de carbono se insertaron solamente junto a los electrodos negativos si los electrodos negativos estuvieron enfrentando un electrodo positivo. Los electrodos positivos se soldaron por punto en el colector de corriente positiva (358). Los electrodos negativos se soldaron por punto en el colector de corriente negativa (360). Los separadores de esterilla de vidrio (362) se insertaron entre el capacitor de carbono/lámina no tejida de fibra de carbono y el electrodo positivo. Los electrodos negativos intercalados, capacitor de carbono/láminas no tejidas de fibra de carbono, electrodos positivos y separadores de esterilla de vidrio se colocaron en un contenedor de acrilico (364) y se comprimieron a 70 kPa. El contenedor se selló con una tapa de acrilico (366) ajustada con una válvula de presión (368) . Un electrodo de referencia de plata/sulfato de plata (370) se insertó en el separador de esterilla de vidrio para registrar el potencial positivo.
Se vació una solución de ácido sulfúrico 1.30 sg en el contenedor al nivel ligeramente más alto que la parte superior de los separadores de esterilla de vidrio. Después de empapar la celda durante 8 horas, la celda se cargó durante 24 horas con un máximo de voltaje de carga de 2.55 V y 6 A. Después de la carga, el ácido se ajustó a 1.30 sg y el ácido en exceso se removió de la celda. La celda se sometió a los siguientes experimentos.
1) determinación de capacidad de 1 h (CI) 2) determinación del desempeño de ciclo de la celda usando el perfil de 42 V para simular la operación bajo condiciones de conducción semi-hibridas .
La capacidad de 1 h es determinó usando el siguiente perfil y se determinó en cada 10000 ciclos terminados durante la prueba de ciclo de perfil de 42 V: (i) Cargar la celda en un voltaje constante (2.45 V) con una corriente máxima de 2.5A durante 1.5 h;
(ii) Descargar la celda en una corriente de 9.95 A hasta que el voltaje de celda alcance un valor de corte de 1.67 V;
(iv) Recargar la celda en un voltaje constante de 2.45 V con una corriente máxima de 9.95 A hasta que se alcance una carga de 115% o 30 h;
(v) Repetir desde la etapa (ii) 18 veces
(vi) Usar la Ecuación de Peukert para determinar la capacidad de 1 h.
La capacidad inicial de la celda se determinó para ser 9.22 Ah . Por lo tanto la velocidad de Cl fue de 9.22 A y este valor se usó en la prueba de ciclo de 42 V.
El siguiente experimento estudió el desempeño de la celda bajo un perfil de ciclización de 42 V dado en la Figura 18. Este perfil incluyó las siguientes etapas con el e C 1 = 9.4 A:
(i) Medición de la resistencia interna (iR)
- Pulso de corriente de -12 A para 100ms;
(ii) Operación de detección de marcha normal
- Descarga con 1.4C1 durante 60 s, si el voltaje de la celda alcanza el voltaje de corte (CoV) 1.2 V, entonces la ciclización termina;
(iü) Operación de arranque
- Descarga con 12C1 durante 0.5 s, CoV < 1.2 V entonces la ciclización termina
(iv) Operación de asistencia de potencia
- Descarga con 6C1 durante 0.5 s, CoV < 1.2 V entonces la ciclización termina
(v) Operación de carga de motor
- carga con 1.4C1, durante 70 s, o ToCV (Máximo de Voltaje de Carga) 2.45 V
- 0 corriente cero durante 5 s
- Carga con 3.2C1 durante 5 s, o ToCV = 2.45 V
(vi) Repetir desde la etapa (i) hasta que se alcancen 10,000 ciclos
(vii) Prueba de capacidad residual
- Descarga con CI, CoV < 1.67 V
*
(viii) carga completa durante 24 h y prueba de capacidad de lh
- Carga con 0.5C1 durante 24 h con un ToCV = 2.45 V
- Descarga con Cl hasta CoV. < 1.67 V
(ix) Carga completa durante 24 h - final del perfil
- Carga con 0.5C1 durante 24 h o capacidad de carga/descarga = 115% (x) Comenzar la siguiente prueba de 10,000 ciclos hasta CoV < 1.2 V.
Los resultados del ciclo de 42 V se muestran en la Figura 19. La capacidad se determinó en cada 10000 ciclos contemplados durante la prueba de ciclo de perfil de 42 V. La gráfica mostró que la celda todavía no había alcanzado el voltaje de corte de 1.2 V, es decir no había fallado después de 27389 ciclos. La capacidad de la celda se tomó en cada 10000 ciclos. La capacidad se incrementó ligeramente durante los primeros 7389 ciclos (la celda se había detenido la ciclización en este punto debido a la falla de potencia) y estuvo disminuyendo gradualmente mientras se había ciclado la celda .
8. Manufactura de la Capa Compuesta y las Modalidades de Electrodo
Los ejemplos de dos procesos de manufactura que implican una capa compuesta de capacitor es decir una capa compuesta que comprende el material electroactivo de velocidad alta (capacitor) recubierto sobre la esterilla eléctricamente conductiva, que está en la forma de una lámina no tejida de fibra de carbono, se muestra en la Figura 20 y 21.
La Figura 20 muestra un proceso para producir una capa compuesta de capacitor o lámina, que se puede almacenar y usar posteriormente con placas de plomo-ácido negativas y positivas, junto con un separador durante el ensamble de batería. Se puede ensamblar una placa de plomo-ácido negativa con dos láminas compuestas de capacitor colocadas sobre ambos lados de la placa del plomo-ácido negativa (Figura 21).
En la Figura 20 una tira de material no tejido de fibra de carbono (350) se alimenta por la banda transportadora (352) a formador de pasta o tolva (354), donde la pasta de capacitor (356) que comprende el material electroactivo de velocidad alta se aplica sobre la tira. Una tira de papel (38) luego se coloca sobre la superficie de la tira compuesta de capacitor para facilitar el manejo y la capa compuesta se corta en placas por un cortador giratorio (360) a la forma en placa que tiene una longitud dada. Las placas compuestas de capacitor luego se alimentan a través de un secador instantáneo (362), donde la humedad superficial de la placa compuesta de capacitor se remueve. Las placas compuestas de capacitor se apilan y se transportan subsecuentemente al horno de secado.
La Figura 21 muestra la aplicación simultánea de dos capas compuestas de capacitor (velocidad alta) sobre una capa de electrodo que comprende un colector de corriente recubierto con un material electroactivo de energía alta. La pasta (batería) de energía alta de plomo-ácido negativa (372) se aplica por el formador de pasta (370) sobre el colector de corriente para formar una capa de electrodo, que está en la forma de una rejilla de aleación de plomo vaciada continua (366) y se alimenta en la máquina formadora de pasta por la banda transportadora (368). Las dos capas compuestas de capacitor (376), que se han formado previamente se prensan sobre ambos lados de la capa de electrodo (374) con formación en pasta continua por el par de rodillos (378) para formar n componente de electrodo compuesto. La formación de pasta de las dos capas compuestas de capacitor se puede realizar al mismo tiempo con la mezcladora y los formadores de pasta complementarios. El componente de electrodo compuesto completo (380) luego se corta por el cortador giratorio (382) a forma de placa con una longitud dada (384). Las placas compuestas (384) luego se transportan a través del secador instantáneo (386) donde la humedad superficial de las placas compuestas se remueve. Las placas compuestas se apilan (388) y se transportan subsecuentemente a las etapas de proceso de curado y secado.
Claims (20)
1. Un electrodo para un dispositivo de almacenamiento eléctrico, caracterizado porque comprende: un colector de corriente; un primer material electroactivo; un segundo material electroactivo; y una esterilla eléctricamente conductiva; en donde: el primer material electroactivo tiene una densidad de energía más alta que el segundo material electroactivo, y el segundo material electroactivo tiene una capacidad de velocidad más alta que el primer material electroactivo; y la esterilla eléctricamente conductiva proporciona soporte estructural y conductivo para por lo menos uno del primer material electroactivo y el segundo material electroactivo .
2. El electrodo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la esterilla eléctricamente conductiva comprende una red porosa de fibras conductivas eléctricamente interconectadas .
3. El electrodo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la esterilla eléctricamente conductiva es una lámina de fibra de carbono.
. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la esterilla eléctricamente conductiva comprende uno o más recubrimientos, capas o regiones que comprenden por lo menos uno del primer material electroactivo y un segundo material electroactivo .
5. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la esterilla eléctricamente conductiva comprende uno o más recubrimientos, capas . o regiones que consisten del primer material electroactivo, o segundo material electroactivo, opcionalmente con uno o más aditivos.
6. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque esterilla eléctricamente conductiva se proporciona como una capa intermedia que separa el primer material electroactivo del segundo material electroactivo.
7. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el primer material electroactivo es un material basado en plomo.
8. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el segundo material electroactivo se selecciona de uno o más del grupo que consiste de carbono de área superficial alta, óxido de rutenio, óxido de plata, óxido de cobalto y polímeros conductores .
9. El electrodo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el carbono de área superficial alta es uno o más materiales seleccionados del grupo que consiste de carbón activado, negro de carbón, carbón no amorfo, nanoparticulas de carbono, nanotubos de carbono y fibras de carbono.
10. El electrodo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el carbono de área superficial alta es carbón activado.
11. Un dispositivo de almacenamiento eléctrico que comprende por lo menos un par de electrodo negativo y positivo, caracterizado porque por lo menos un electrodo es un electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
12. El dispositivo de almacenamiento eléctrico de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el por lo menos un electrodo es un electrodo negativo que comprende un primer material electroactivo seleccionado de uno o más del grupo que consiste de cadmio, hidruros de metal, plomo y zinc.
13. El dispositivo de almacenamiento eléctrico de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el primer material electroactivo es plomo.
14. El dispositivo de almacenamiento eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque el por lo menos un electrodo es un electrodo positivo que comprende un primer material electroactivo seleccionado de uno o más del grupo que consiste de óxido de níquel, óxido de plomo y plata.
15. El dispositivo de almacenamiento eléctrico de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el primer material electroactivo es óxido de plomo.
16. El dispositivo de almacenamiento eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque el dispositivo es un dispositivo regulado por válvulas.
17. El dispositivo de almacenamiento eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento eléctrico está configurado para la operación bajo una, fuerza de compresión de menor que aproximadamente 80 kPa.
18. Un dispositivo de almacenamiento eléctrico que comprende por lo menos un electrodo positivo basado en dióxido de plomo y por lo menos un electrodo negativo basado en plomo esponjoso en una solución de electrolito de ácido sulfúrico, caracterizado porque el por lo menos un electrodo negativo basado en plomo esponjoso comprende: un colector de corriente; una primera capa depositada sobre el colector de corriente, la primera capa que comprende plomo esponjoso; una segunda capa en contacto con la primera capa, la segunda capa que comprende una esterilla eléctricamente conductiva que comprende una red de fibras de carbono conductivas eléctricamente interconectadas ; una tercera capa depositada sobre la segunda capa, la tercera capa que comprende un segundo material electroactivo; en donde el plomo esponjoso tiene una densidad de energía más alta que el segundo material electroactivo, y el segundo material electroactivo tiene una capacidad de velocidad más alta que el plomo esponjoso.
19. Un proceso para fabricar un electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, el proceso caracterizado porque comprende: formar una capa compuesta que comprende por lo menos uno del primer material electroactivo y el segundo material electroactivo depositado sobre y/o incorporado dentro de la esterilla eléctricamente conductiva; y acoplar la capa compuesta al colector de corriente.
20. Un proceso para fabricar un electrodo de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el proceso además comprende formar un recubrimiento del primer material electroactivo sobre el colector de corriente, y acoplar la capa compuesta al recubrimiento del primer material electroactivo sobre el colector de corriente.
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