MX2013000862A - Metodos y sistemas de bateria de metal-aire electricamente recargable. - Google Patents

Metodos y sistemas de bateria de metal-aire electricamente recargable.

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Abstract

La invención proporciona sistemas de batería de metal-aire completamente recargable de forma eléctrica y métodos para lograr estos sistemas. Una celda de batería de metal-aire recargable puede comprender un electrodo de metal, un electrodo de aire y un electrolito acuoso que separa el electrodo de metal y el electrodo de aire. En algunas modalidades, el electrodo de metal puede hacer contacto directamente con el electrolito y no se necesita proporcionar separador ni membrana porosa entre el electrodo de aire y el electrolito. Las celdas de batería de metal-aire recargables se pueden conectar eléctricamente entre sí a través de una conexión de centrodo entre un electrodo de metal de una primera celda de batería y un electrodo de aire de una segunda celda de batería. Se pueden proporcionar túneles de aire entre las celdas individuales de batería de metal-aire, en algunas modalidades, se; puede proporcionar un sistema de manejo de flujo de electrolito.

Description

METODOS Y SISTEMAS DE BATERIA DE METAL-AIRE ELECTRICAMENTE RECARGABLE Antecedentes de la Invención Con una combinación de una infraestructura envejecida de la red de energía eléctrica y la integración de fuentes de generación intermitente que vienen de. recursos renovables de energía, a gran escala, tal como eólica, solar, y olas oceánicas, hay una necesidad creciente y crítica de desarrollar tecnologías efectivas de almacenamiento de energía para lograr estabilidad en el suministro de energía de la red de energía eléctrica y para cambiar el suministro de energía eléctrica durante los períodos de carga máxima y de carga reducida. Las empresas de servicios están buscando maneras para ayudar a adicionar energía limpia a la red de energía eléctrica, para impedir interrupciones de energía y para manejar las cargas pico de una manera efectiva en el costo sin adicionar capacidad generadora adicional. Las baterías se consideran elementos críticos en la expansión y adopción- a gran escala de fuentes de energía renovable tal como energía eólica y granjas solares.
A la fecha ningún sistema de baterías ha sido un éxito comercial en esta aplicación por varias razones. Una razón es que es actualmente demasiado alto al costo de los sistemas existentes de batería. En consecuencia, las empresas Ref . :238565 de servicios utilizan principalmente turbinas de gas para proporcionar potencia máxima cuando se necesite. Sin embargo, no son tan versátiles ni útiles como los verdaderos dispositivos de almacenamiento tal como las baterías. Es demasiado bajo el ciclo de vida de las baterías actuales, haciendo los costos reales del tiempo de vida muy altos que el costo inicial. También muchas baterías (tal como baterías de sodio-azufre) operan a temperaturas elevadas, contienen productos químicos peligrosos, pueden tener materiales inflamables, o se pueden someter a una reacción incontrolada tal como a aquellas que se presentan en baterías a base de litio. En resumen, no hay tecnología comercial actual de baterías que ofrezca un tamaño de batería a gran escala, desempeño adecuado, y un largo ciclo de vida de carga/descarga a un precio comercialmente viable y un tiempo de. vida viable para las empresas de servicios.
Por lo tanto, existe la necesidad de sistemas mejorados de baterías. Existe una necesidad adicional por configuraciones de baterías recargables que sean comercialmente viables.
Breve Descripción de la Invención Para superar todos estos problemas, de acuerdo con un aspecto de la invención, se ha proporcionado un nuevo diseño/química de sistema de metal-aire, eléctricamente recargable. El diseño de celda de metal-aire incorpora un número sustancial de nuevos y anteriormente no aprovechados materiales, productos químicos, cambios estructurales y de diseño. Estos cambios y modificaciones importantes se describirán en mayor detalle más adelante. En algunas modalidades., esta celda de metal-aire puede ser una celda de zinc-aire. La prueba independiente por terceros, a la fecha, a verificado que la celda propuesta de zinc-aire se puede descargar y cargar más de 200 veces sin evidencia de degradación del cátodo de aire, de esta manera se espera una vida más prolongada. Algunas (o todas) las modificaciones listadas en la presente se pueden combinar para tener un desempeño de la celda con un lago ciclo de vida que puede hacer al sistema de zinc-aire costeable y práctico.
Un aspecto de la invención se refiere a una celda de batería de metal-aire, recargable que comprende un electrodo de metal; un electrodo de aire; y un electrolito acuoso entre el electrodo de metal y el electrodo de aire, en donde el electrodo de metal hace contacto directamente con el electrolito y no se proporciona separador entre el electrodo de aire y el electrodo de metal. En algunas modalidades adicionales, no se proporciona separador entre el electrodo de aire y el electrolito.
, Otro aspecto de la invención se refiere a un sistema de celda de batería de metal-aire, recargable que comprende un electrodo de metal; un electrodo de aire; y una solución acuosa de electrolito que tiene un pH en el intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10, en donde el sistema de celda de batería es capaz de al menos 500 ciclos de descarga y. recarga sin degradación física de los materiales ni degradación sustancial de la celda de batería ni del desempeño del sistema.
De acuerdo con otro aspecto de la invención se puede proporcionar un montaje de celda de batería. El montaje de celda de batería puede comprender una celda que comprende un electrodo de metal, un electrodo de aire, y un electrolito entre estos y una segunda celda que también tiene un electrodo de metal, un electrodo de aire, y un electrolito entre estos . Estas dos celdas se conectan de una manea donde el electrodo de metal de la celda # 1 haga contacto con el electrodo de aire de la celda #2. Esto permite que se forma un espacio de aire o túnel entre el electrodo de metal de la celda #1 y el electrodo de aire de la celda #2. En esta configuración, el electrodo de metal y el electrodo de aire están paralelos entre sí y orientados horizontalmente . En algunas modalidades, el electrodo de metal y el electrodo de aire pueden estar alineados de manera sustancialmente vertical.
Un aspecto adicional de esta invención proporciona un sistema de almacenamiento de energía que comprende: un montaje de suministro de electrolito que tiene una característica de control de flujo configurada para distribuir el electrolito, conforme se necesite, a la celda de batería de metal-aire, subyacente; y una o más celdas de batería de metal-aire que comprenden al menos un orificio que tiene una porción de derrame, en donde la característica de control de flujo permite que el electrolito en exceso o excedente se derrame en cada celda si los volúmenes de electrolito se incrementan de forma considerable o rellene las celdas individuales con electrolitos y los volúmenes de electrolito en una celda particular disminuyen. En algunas modalidades, las características de control de flujo se pueden alinear verticalmente sobre la porción de derrame.
Un método para almacenar energía puede proporcionar otro aspecto de la invención. El método puede comprender recibir un electrolito en un tanque de suministro de electrolito; permitir, si se presenta derrame en el tanque de suministro de electrolito, que algo del electrolito caiga desde un tanque de suministro de electrolito a una primera celda de batería de metal-aire, subyacente; y permitir, si se presenta derrame en la celda de batería de metal-aire, subyacente, que algo del electrolito caiga de la primera celda de batería de metal-aire subyacente a una segunda celda de batería de metal-aire o un tanque de recolección. Este efecto de cascada de electrolito asegura que los niveles de electrolito en todas las celdas estén llenos (para mantener un buen contacto eléctrico) y aproximadamente igualen y nivelen los volúmenes de electrolito a un con expansión, contracción o evaporación del electrolito.
Se pueden proporcionar métodos adicionales de acuerdo con otros aspectos de la invención. Un método para almacenar energía puede comprender proporcionar uno o más electrodos de aire bipolares con un espacio de aire entre estos (que se pueden llamar "centrodos" ) , más específicamente que tiene un electrodo de metal de una primera celda en contacto con un electrodo de aire de una segunda celda, en donde se proporciona un túnel de aire entre el electrodo de metal y el electrodo de aire; y proporcionar un primer armazón que se extiende sobre el uno o más centrodos y un segundo armazón que se extiende por abajo del uno o más centrodos, en donde la primera celda comprende el espacio sobre el electrodo de metal y cerrada por el primer armazón para aceptar un electrolito y la segunda celda comprende el espacio por abajo del electrodo de aire y cerrada por el segundo armazón para aceptar un electrolito. En algunas modalidades, se puede proporcionar un centrodo como se describe o ilustra en otra parte de la presente.
Un sistema para almacenar energía a una escala de empresa de servicios, provisto de acuerdo con un aspecto de la invención, puede comprender una pluralidad de celdas de metal-aire, verticalmente apiladas, que comprenden al menos un armazón, en donde se proporcionan uno o más túneles de aire entre las celdas individuales; un . sistema de manejo de flujo de electrolito que se configura para distribuir electrolito a una. o más celdas o pilas de celdas; y un montaje de flujo de aire configurado para proporcionar flujo de aire entre el uno o más túneles de aire. En algunas modalidades, el sistema de manejo de electrolito puede estar integral a uno o más armazones .
Otros objetivos y ventajas de la invención se apreciarán adicionalmente y se entenderán cuando se consideren en unión con la siguiente descripción y figuras anexas. En tanto que la siguiente descripción puede contener detalles especificos que describen modalidades particulares de la invención, esto no se debe considerar como limitaciones al alcance de la. invención sino más bien como una ejemplificación de modalidades potenciales o preferibles. Para cada aspecto de la invención, son posibles muchas variaciones como se sugiera en la presente qué se conozcan por aquellos expertos en la técnica. Se pueden hacer una variedad de cambios y modificaciones dentro del alcance de la invención sin apartarse del espíritu de esto.
Incorporación por Referencia Todas las publicaciones, patentes, y solicitudes de patentes, y solicitudes de patente mencionadas en esta descripción, se incorporan en la presente como referencia al mismo grado como si cada publicación, patente o solicitud de patente individual se indicará de manera específica e individualmente para que se incorpore como referencia.
Breve Descripción de las Figuras Las nuevas características de la invención se exponen con particularidad en las reivindicaciones anexas. Se obtendrá un rendimiento mejor de las características y ventajas de la presente invención por referencia a la siguiente descripción detallada que exponen modalidades ilustrativas, en las cuales se utilizan por principios de la invención, y las figuras anexas de las cuales: La Figura 1 muestra celdas de metal -aire, recargables, arregladas en una orientación horizontal de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 2 muestra un ejemplo de celdas individuales que se pueden ampliar una en la parte superior de la otra.
La Figura 3 muestra una vista en sección isométrica de celda individual de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 4A muestra un sistema para mantener un nivel sustancialmente constante y uniforme de electrolito dentro de un arreglo de celdas que están horizontalmente arregladas, que pueden compartir un orificio común de relleno de electrolito y tanque de recirculación de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 4B muestra un sistema adicional para mantener los niveles de electrolito dentro de una pluralidad de celdas con celdas lado a lado que comparten orificios de relleno y un tanque separado o cargador para intercambiar electrolito gastado por electrolito cargado (con metal de zinc o una suspensión espesa de zinc) de acuerdo con otra modalidad de la invención.
La Figura 5 muestra un ejemplo de una configuración de pila de baterías.
La Figura 6 muestra un ejemplo de un orificio centralizado de manejo de electrolito para un sistema de almacenamiento de energía que permite que cada celda rellene y deje caer en cascada o derrame en otras celdas de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 7 muestra una vista adicional de una configuración de pila de baterías con conexiones de electrodo de metal-electrodo de aire verticalmente y también con redundancia horizontal para derivar una celda fallida.
La Figura 8A muestra un ejemplo de un recipiente de carga, aislado y utilización de máquina HVAC para un módulo de baterías con una pila separada de bandejas con un tanque superior y un drenaje inferior, que es parte de un sistema de recirculación de electrolito de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 8B muestra bandejas individuales de celdas en el fondo de módulos de batería con tubos que son parte de un sistema de recirculación en el piso del recipiente de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 8C muestra varios módulos de batería montados en un sistema de batería con tanques de recirculación e inversores u otro equipo de control de energía .
La Figura 8D muestra una vista superior de un sistema de batería que incluye una pluralidad de módulos de batería dentro de un recipiente.
La Figura 8E proporciona un ejemplo de un montaje de flujo de aire.
La Figura 8F proporciona una vista adicional de un montaje de flujo de aire.
La Figura 8G proporciona un ejemplo alternativo de un montaje de flujo de aire.
La Figura 8H proporciona un ejemplo de un sistema de batería dentro de un recipiente.
La Figura 9A proporciona una vista de fondo de una bandeja o montaje de armazón de celda con conexiones eléctricas en el extremo de cada fila que se conectan horizontalmente .
La Figura 9B muestra una vista de un armazón de celda o montaje de bandeja y uno o más centrodos.
La Figura 10 proporciona una vista superior de cuatro celdas en un montaje horizontal colocado para compartir un orificio común de relleno y salida, que se puede referir como un "cuádrete" .
La Figura 11A muestra una vista superior de un sistema de almacenamiento de energía con un orificio compartido de relleno y derrame entre celdas de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 11B muestra una vista lateral o sección transversal de un sistema de almacenamiento de energía de la. Figura 11A, en ángulo para lanzar o liberar gas con gravedad, con un tanque de suministro de agua, alimentado por gravedad, por arriba.
La Figura 12 · roporciona una vista esquemática de un diseño de tres electrodos para una celda de metal-aire, eléctricamente recargable.
La Figura 13 muestra un ejemplo del voltaje de celda durante el tiempo de prueba de acuerdo con una modalidad de la invención.
Descripción Detallada de la Invención En tanto que se han mostrado y descrito en la presente modalidades preferibles de la invención, será obvio por un experto en la técnica que estas modalidades se proporcionan solo a manera de ejemplo. Numerosas variaciones, cambios y sustituciones ahora se presentarán para los expertos en la técnica sin apartarse de la invención. Se debe entender que en la práctica de la invención se pueden emplear varias alternativas a las modalidades de la invención descrita en la presente.
La invención proporciona métodos y sistemas de baterías de metal-aire, eléctricamente recargables. Varios aspectos de la invención descritos en la presente se pueden aplicar a cualquiera de las aplicaciones particulares expuestas más adelante o para cualquier otro tipo de sistemas de batería. La invención se puede aplicar como un sistema o método independiente, o como parte de un sistema de una red de energía eléctrica/impresa de servicios o sistema o método de almacenamiento de energía renovable. Se debe entender que diferentes aspectos de la invención se pueden apreciar de manera individual, colectivamente o en combinación entre sí. Batería de Metal-Aire Las baterías de metal-aire tienen el potencial de muy altas densidades de energía a bajo costo. Los sistemas de batería de metal-aire usan oxígeno atmosférico como su reactivo de cátodo, por lo tanto el "aire" en su nombre. Las baterías de metal-aire son fuentes únicas de energía ya que uno de los reactivos, oxígeno, no se almacena dentro de la batería misma. En cambio, el gas oxígeno, que constituye aproximadamente 20% del aire ambiente se puede tomar del suministro ilimitado de aire circundante conforme se necesita y se deja entrar a la celda donde se reduce por superficies catalíticas dentro de un electrodo de aire. El gas oxígeno puede ser esencialmente un reactivo de cátodo inagotable. Debido a que no se necesita llevar gas oxígeno dentro de la celda, los pesos, volúmenes o tamaños completos de la celda pueden ser relativamente bajos y pueden ser altas las densidades energéticas (capacidades de amperio-hora de celda por peso determinado de celda) . Por ejemplo, los pesos y volúmenes de celda pueden ser menores que los pesos de celda de otras configuraciones de batería y las densidades energéticas pueden ser mayores que las densidades energéticas de otras configuraciones de batería. Otra ventaja es el volumen pequeño y pequeño peso tomado por los electrodos de aire, lo que puede dar por resultado mayores características específicas del sistema (Ah/kg y Ah/1) en comparación a las otras fuentes de energía electroquímica.
Los sistemas de batería de metal-aire pueden generar electricidad al acoplar una reacción de oxidación a un electrodo de metal reactivo, que, durante la descarga de la celda pueda actuar como un ánodo conjuntamente con reacción de reducción de oxígeno en un cátodo que contiene catalizares adecuados de reducción de oxígeno. Los electrodos libres generados del ánodo de zinc pueden viajar al electrodo de aire que actúa como un cátodo a través de una carga externa.
Sin embargo, una desventaja clave de las baterías del tipo metal-aire puede ser que típicamente no han sido eléctricamente recargables durante un gran número de ciclos de descarga y carga. Un ciclo de descarga-carga se define aquí como una descarga eléctrica completa seguida por una carga eléctrica completa. En algunas modalidades, una descarga eléctrica completa puede durara el menos 6 horas en tanto que una siguiente carga de relleno también puede durar aproximadamente 6 horas. Este ciclo de descarga y carga, de viaje redondo de 12 horas (con la posibilidad de cargas y descargas de menor duración para estabilizar o regular la red de energía eléctrica) puede ser característico y esperado durante un día típico completo de servicio de respaldo en la red de energía eléctrica. La capacidad de recarga eléctrica puede ser necesaria o altamente deseable para cualquier batería que se considere para aplicaciones en una red de energía eléctrica. Las baterías tradicionales de metal-aire a gran escala ya sea no son todas eléctricamente recargables o solo pueden entrar en un ciclo por menos de unos pocos cientos de ciclos de descarga-carga. Adicionalmente, los sistemas tradicionales de batería de metal-aire, grandes no están fácilmente comercialmente disponibles. Para se prácticos para aplicaciones en una empresa de servicios, una batería eléctricamente recargable debe distribuir de manera preferente al menos 3500 a 10,000 ciclos de descarga y carga de alto desempeño con buena eficiencia total. Esto corresponderá a una vida aproximada de 10-30 años.
Dentro de una batería del tipo metal-aire, el electrolito eléctricamente conductor que conecta el electrodo de metal y el electrodo de aire usualmente es una solución líquida (en algunas modalidades a base de agua, acuosa) que contiene sales disueltas . Se piensa que las baterías de metal-aire combinan propiedades deseables tanto de celdas de combustible y baterías; el metal (por ejemplo, es zinc) es el combustible, las velocidades de reacción se pueden controlar al variar el flujo de aire y la pasta de metal oxidado/electrolito se puede reemplazar con metal o pasta nueva. Una tremenda ventaja de seguridad de las celdas de metal-aire es el hecho que son inherentemente pobres en provocar corto circuitos. Puesto que las celdas de metal-aire se limitan por la cantidad de oxígeno que pueden retirar continuamente y utilizar del aire ambiente, estas se limitan finalmente por cuanta corriente pueden producir. Cuando se presenta un corto circuito dentro de una celda, diferente de otras químicas de batería, una celda de metal-aire simplemente no suministra corriente limitada, la capacidad de distribución de corriente tiene un máximo, un límite superior. Esta es una consideración importante de seguridad. Los sistemas de batería de metal-aire pueden incluir, pero no se limita a, aluminio-airé, magnesio-aire, hierro-aire, litio-aire, sodio-aire, titanio-aire, berilio-aire, y zinc-aire .
El zinc, en particular, tiene varias ventajas con respecto a los otros metales. Sin embargo, cualquiera de las modalidades analizadas en otra parte de la presente también se pueden aplicar a cualquier tipo de sistema de batería de metal-aire que pueda o no incluir zinc. Cualquier referencia zinc como un ánodo también se puede aplicar a cualquier otro metal, y viceversa. Cualquier referencia o baterías de zinc-aire se puede aplicar a cualquier otra batería de metal-aire y viceversa.
El zinc puede ser un material ventajoso debido a que es de peso ligero, no tóxico, barato, fácilmente disponible y tiene rápidas velocidades de reacción electroquímica para revestimiento electrolítico durante la carga electroquímica. Debido a esto, se han usado celdas de zinc-aire como celdas primarias (descartables) y recargables (reutilizables) . En las celdas de zinc-aire se pueden recargar ya sea de manera mecánica o eléctrica. En las celdas mecánicamente recargables (reabastecibles) , el zinc consumido se puede remover físicamente de una celda/batería y reemplazar mecánicamente con zinc fresco. El zinc gastado se puede procesar de forma separada en una ubicación diferente de regreso a zinc metálico. Estas baterías mecánicamente recargables se pueden usar para aplicación de almacenamiento en la red de energía eléctrica, en algunas modalidades.
En modalidades preferibles, se pueden usar celdas eléctricamente recargables. En las celdas eléctricamente recargables, más prácticas, la electricidad de una fuente externa se puede usar para generar oxígeno en el electrodo de aire, en tanto que el metal de zinc se puede re-depositar electroquímicamente (revestir electrolíticamente) de regreso sobre el electrodo de metal, para reconstituir el electrodo de metal original. Ambos de estos sistemas de zinc-aire usan típicamente electrodos alcalinos acuosos en base a hidróxido de potasio altamente caustico, KOH.
Durante la operación normal de la celda durante la descarga de la celda, el oxígeno del aire circundante se puede reducir (ganar electrones) , en tanto que el metal reactivo experimente oxidación (pierde electrones) . En las celdas de zinc-aire que contienen electrolito alcalino, por ejemplo, pueden presentarse las siguientes reacciones simplificadas de celda: En el electrodo: 2Zn + 40H ? 2ZnO +2H20 + 4e" E0 =1.25V En el cátodo: 02 +2HzO +4e~-? 40R E0=0.40V Reacción completa: 2Zno +O2 ? ZnO E(ocv)=1.65V En algunos casos, los productos reales de la reacción de ánodo no son simplemente ZnO +H20 sino o más bien Zn(OH)4~2. La reducción completa de ánodo por lo tanto se puede describir como 2Zn +80H-» 2Zn(OH)4~2 + 4e~ El producto generado de la oxidación de zinc, el zincato de potasio, puede permanecer en solución.
Las celdas recargables de zinc-aire que usan electrolitos alcalinos pueden tener varias cuestiones técnicas. La primera cuestión es que conforme entra aire a la celda, puede introducirse también C02, dióxido de carbono (normalmente presente en el aire ambiente) y reaccionar lentamente con el electrolito alcalino para formar especies insolubles de carbonato. Estos carbonatos insolubles precipitan dentro de los orificios de los electrodos de aire y también en el electrolito. Este precipitado generado disminuye la cbnductividad eléctrica del electrolito, y debido a que los poros del electrodo de aire se están bloqueando por material insoluble, se reduce notablemente el desempeño del electrodo de aire. Aunque se han usado sistemas de absorción de dióxido de carbono para remover (purificar) C02 del aire entrante, el peso adicionado y la complejidad resta valor a las ventajas de los sistemas de metal/aire que usan electrolito alcalino.
Además, debido a que los electrolitos alcalinos comúnmente usados padecen de ser delicuescentes (que absorben agua del aire), en ambientes húmedos, puede acumularse agua en exceso en estos sistemas de batería, provocando que el electrodo de aire se llegue a inundar con agua. Puesto que el aire (oxígeno) no puede difundirse fácilmente a través del agua, puede entrar menos oxígeno y llegar a reducirse dentro del electrodo de aire . Esto puede provocar que los cátodos de aire de base alcalina pierdan rápidamente sus propiedades activas.
Otra cuestión con las celdas tradicionales de zinc-aire de base alcalina es que aunque la conductividad iónica y el desempeño energético de la celda mejoran con una concentración creciente de OH-, así también la solubilidad de las especies formadas de zinc. Esto presentas un dilema de diseño de la celda. Por una parte, es deseable un mayor pH para una conductividad eléctrica mejorada de electrolito y una buena capacidad de la celda. El intercambio es que un mayor pH el electrolito puede conducir a mayor solubilidad del producto de descarga de zinc, formado, lo que da por resultado mayores cambios de forma durante la carga de la celda y por lo tanto menor ciclo de vida. En otras palabras, en un diseño típico de celda, se puede seleccionar el tener ya sea buena capacidad de celda con pobre ciclo de vida o un buen ciclo de vida con pobres capacidades de celda. La combinación deseada tanto de buen ciclo de vida como de buena capacidad de celda actualmente no está disponible en las celdas de metal-aire, electroquímicamente recargables.
Aún otra cuestión con los electrolitos alcalinos típicos es que durante la carga eléctrica, el zinc revestido electrolíticamente tiende a migrar y redistribuirse sobre el electrodo de zinc. Solo después de unos solos pocos ciclos de carga, el zinc puede depositarse en morfologías indeseadas (por ejemplo, depósitos esponjosos, musgosos o filamentosos/dendríticos) . Un depósito dendrítico es un depósito que produce una superficie de zinc lisa fuera de lo normal. Las partículas de zinc irregularmente revestidas de forma electrolítica pueden tener mayor resistencia eléctrica y no adherirse mecánicamente bien entre sí. Estas partículas de zinc pueden descascarase fácilmente de los electrodos de meta para formar depósitos aislados de zinc. Todos estos factores contribuyen a una capacidad reducida de la batería y a una producción reducida de energía para las baterías tradicionales de zinc-aire después de ciclos continuos de descarga y carga.
Electrolito de la Batería De acuerdo con un aspecto de la invención, se puede seleccionar un electrolito de batería que pueda mejorar el desempeño de la batería de metal-aire tal como una batería de zinc-aire. En algunas modalidades, el electrolito de batería puede ser un electrolito acuoso a base de cloruro. En algunas modalidades, el electrolito puede tener un pH de aproximadamente 6. El electrolito puede tener un pH de 10 o menos, o cualquier otro valor de pH mencionado en la presente o menos. En modalidades alternativas, el electrolito puede tener un pH que cae entre 3-10,4-9, 5-7, 5.5-6.5, o 5.75-6.25. En algunas modalidades, un electrolito puede tener un pH de aproximadamente 3, 4, 5, 5.25, 5.5, 5.75, 5.8, 5.9, 5.95, 6, 6.1, 6.2, 6.3, 6.5, 6.75, 7, 8, 9, o 10. En algunas modalidades, el electrolito puede se alcalino. El pH puede ser pH relativamente neutral. En algunas modalidades, sustancialmente no se forman carbonatos como resultado del C02 presente en el aire. El electrolito puede no ser dendrítico con poca o ninguna absorción de C02.
Una batería proporcionada de acuerdo co una modalidad de la invención puede utilizar un electrolito acuoso a base de cloruro. Debido al menor pH del electrolito, no se se absorbe dióxido de carbono (o un nivel extremadamente de dióxido de carbono) del aire de esta manera no se forman carbonatos insolubles en ya sea electrolito o en el electrodo de aire. Además, opuesto que los electrolitos acuoso a base de cloruro se usan comúnmente en las industrias de revestimiento electrolítico de zinc para depositar depósitos de zinc lisos y bien adheridos, se deben mejorar notablemente las eficiencias de recubrimiento electrolítico de zinc (durante la carga de las celdas) .
Un electrolito preferible a base de cloruro en una celda de zinc-aire está de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Un electrolito puede comprender una mezcla de sales solubles de cloruro en solución acuosa. Las sales solubles de cloruro pueden tener un catión adecuado para producir una sal soluble de cloruro en una solución acuosa. Los cationes de sales solubles de cloruro pueden incluir zinc, amonio, sodio o cualquier otro catión que pueda producir sales solubles de cloruro en soluciones acuosas. Un electrolito conductor puede ser una mezcla de sales solubles a base de sulfatos, nitratos, carbonatos, hexafluorosilicatos , tetrafluoroboratos , sulfonatos de metano, ermanganato, hexafluorofosfatos , boratos, o fosfatos, ya sea de manera individual o mezclados conjuntamente en una solución acuosa. Si se usa una mezcla de electrolitos de cloruro, por ejemplo, esta nueva celda de zinc-aire se puede describir como: Zn/ZnCl2, NH4C1, H20/02 (Carbono) Aquí, leyendo de izquierda a derecha, el zinc puede ser el ánodo. Se puede separar el electrolito que contiene ZnCl2 y NH4CI y H20. El electrodo de aire a base de carbono es donde 02 se reduce durante la descarga y se genera durante la carga.
En algunas modalidades, se puede usa KOH u otros electrolitos. Este sistema puede requerir o utilizar la adición de un depurador de C02 puesto que un electrolito de hidróxido de potasio absorbe C02. Se puede usar un electrolito conocido en la técnica en unión con las modalidades de los sistemas y métodos descritos en la presente.
En algunas modalidades, se puede mejorar la emisión de oxigeno al carga una célula a bajas densidades de corriente. Estas densidades de corriente pueden reducir al mínimo o reducir la emisión de Cl2. Los ejemplos de esta densidades de corriente pueden incluir aproximadamente 1 mA/cm2 a aproximadamente 100 mA/cm2. Estas densidades de corriente pueden ser aproximadamente menores que, mayores que, entre cualquiera de las siguientes densidades de corriente: aproximadamente 1 mA/cm2, 5 mA/cm2, 10 mA/cm2, 20 mA/cm2, 30 mA/cm2, 40 mA/cm2, 50 mA/cm2, 60 mA/cm2, 70 mA/cm2, 80 mA/cm2, 90 mA/cm2, o 100 mA/cm2. La emisión de oxígeno también se puede mejorar al reducir el pH del electrolito. Adicionalmente, se puede mejorar la emisión de oxígeno al usar un electrodo catalizador que tiene un bajo sobrepotencial para emisión de oxígeno.
En algunas modalidades, el electrodo de metal se puede formar de zinc, puede ser zinc recubierto electrolíticamente, o puede incluir zinc en cualquier otra forma tal como una aleación. De acuerdo con una modalidad de esta invención, el electrolito puede comprender una mezcla de aproximadamente 15% de cloruro de zinc (ZnClz) y aproximadamente 15% cloruro de amonio (NH4Clz) en agua por % en masa. El electrolito puede comprender de manera alternativa una mezcla de aproximadamente 15% cloruro de zinc y aproximadamente 20% cloruro de amonio en agua por . % en masa. En algunas modalidades, el electrolito acuosa puede contener cantidades variables de cloruro de zinc y cloruro de amonio u otras sales o cloruros tales como LiCl. Por ejemplo, un electrolito puede comprender aproximadamente 10%, 12%, 13%, 14%, 14.5%, 15%, 15.5%, 16%, 17%, 18%, o 20% cloruro de zinc o cloruro de amonio. En algunas modalidades, se puede proporcionar aproximadamente la misma cantidad o cantidades similares de cloruro de zinc y cloruro de amonio. Se pueden adicionar otros materiales para amortiguar el electrolito. Estos pueden incluir citrato de amonio u otros amortiguadores compatibles tal como acetato de amonio, o hidróxido de amonio en 1 - 2% en masa. Un electrodo de aire de carbón poroso (cátodo) que contiene catalizadores a base de Mn o Co puede ayudar en la reacción de reducción de oxígeno.
Durante la carga de la celda, el oxígeno del aire ambiente puede entrar a la celda a través de un electrodo de aire poroso y puede experimentar reducción en los sitios de catalizador específicamente designados en o sobre el electrodo de aire. El electrodo de aire puede ser un electrodo a base de carbono. Entre tanto, en el electrodo de metal (que puede ser zinc) , el zinc entra en solución como iones solubles de zinc. En la presencia de un electrolito a base de cloruro, el cloruro de zinc puede ser algo soluble en el electrolito acuoso. Conforme continúa la descarga de la celda y se crean más iones de zinc, se puede exceder el límite de solubilidad del cloruro de zinc. Esto puede provocar que algo del cloruro de zinc se precipite. Se describirán en mayor detalle más adelante métodos para tratar con la precipitación de acuerdo con una modalidad de la invención. Durante la carga de la celda, se presenta una reacción electroquímica inversa. Se genera gas oxígeno en el electrodo de aire en tanto que se puede regenerar metal de zinc (recubierto electrolíticamente) de regreso al electrodo de zinc.
Un proceso de carga/descarga simplificado en el electrolito de cloruro, que puede tener un pH de aproximadamente 6, se puede describir por las siguientes reacciones : Durante la Descarga de la Celda Reacción de cátodo: 2H+ + 1/2 02 + 2e? H20 Reacción de ánodo Zn? Zn2+ + 2e~ Durante la Carga de la Celda Reacción de cátodo H20 + 2C1?2HC1 + 1/2 02 + 2e~ Reacción de ánodo: ZnCl2 +2H+ +2e"?Zn +2HC1 Las especies de zinc formadas durante la descarga de la celda en un electrolito de cloruro de amonio se pueden describir más precisamente como Zn(NH3)2Cl2.
En el electrodo de aire, el oxígeno obtenido del aire ambiente puede entrar a la celda a través de una membrana hidrófoba permeable a aire. Durante la carga de la celda, se puede producir gas oxígeno mediante electrólisis de agua en el electrodo de aire.
Un efecto de usar electrolitos acuosos a base de cloruro en tecnologías de batería recargable de zinc-aire es que durante la carga de la celda (bajo potenciales anódicos) , puede presentarse posiblemente una reacción secundaria indeseada que comprende emisión de cloro. (1) 2C1"? Cl2(g) + 2e~ E0= 1.36 V La generación de cloro puede ser una reacción indeseable en este sistema de electrolito puesto que puede disminuir las eficiencias totales de carga de la celda. Por ejemplo,, la energía eléctrica puede entrar en la generación de cloruro en lugar de en la emisión de oxígeno. Por lo tanto, puede se deseable que el sistema de batería se diseñe de modo que durante la carga de la celda, los potenciales anódicos favorezcan la emisión de oxígeno y reduzcan al mínimo la emisión de cloruro (2) 2H20 ? 4H+ + 02(g) +4e" E0= 1.23 V Aunque la emisión de oxígeno (reacción 2) con su menor potencial de oxidación se espera que se presente predominantemente debido a que se favorece termodinámicamente con respecto a la emisión de cloro (reacción 1) , la emisión de cloro es una reacción química mucho más simple y tiene menor sobrepotencial . Esto significa que en ambientes de cloruro, la emisión indeseable de cloro puede realmente llegar a ser más probable que se presente que la emisión de oxígeno .
El cloro generado puede disolverse en agua para formar hipocloroso, HC10. Los iones de hipoclorito entonces pueden descomponerse en cloruro, varias especies de cloro, oxidadas, conocidas o aún gas de cloro disuelto libre" dependiente de las condiciones. Aunque el gas cloro per se no permanece intacto, esta reacción aún puede ser indeseable en nuestra celda puesto que disminuye las eficiencias totales de carga .
Hay varias maneras prácticas de reducir al mínimo o de reducir la emisión indeseable de cloro (o hipoclorito) (o mejorar las eficiencias de generación de oxígeno) . Puesto que la emisión de oxígeno se favorece bajo condiciones de baja densidad de corriente, una posibilidad puede ser disminuir las densidades de corriente de carga para favorecer la emisión de oxígeno. En algunas modalidades, las densidades de corriente de carga deseables pueden ser de aproximadamente 10 mA/cm2 a aproximadamente 200 mA/cm2 y se pueden variar dependiendo de la aplicación hasta la corriente de carga o descarga máxima que tolerará la batería.
Otro planteamiento puede ser regular el H , del electrolito. A ciertos valores de pH, se puede favorecer más la generación de oxígeno que la emisión de cloro. Un mayor pH favorece la emisión de 02 con respecto a la emisión de Cl2. El electrolito se puede formular ligeramente y amortiguar por la adición de hidróxido de amonio, citrato de amonio, la emisión de cloro se favorece por abajo de pH 2. En tanto que el cloruro de amonio actúa como un amortiguador de pH en este sistema, la adición de hidróxido de amonio acuoso aumentará el pH del electrolito sin afectar adversamente la conductividad del electrolito ni otras propiedades de desempeño .
Otro planteamiento puede ser usar electrodos de aire o cátalizadores seleccionados en el electrodo de aire que tienen mayores sobrepotenciales para la emisión de cloro y muy bajo sobrepotenciales para la emisión de oxígeno. De esta manera, durante la carga de la celda, se favorece la emisión de oxígeno. Esto se puede lograr ya sea al modificar las superficies del electrodo (como se analizará en mayor detalle más adelante de forma adicional) , o al adicionar materiales tal como Mn02, que son bien conocidos por tener bajos sobrepotenciales de emisión de oxígeno. De manera similar, se ha mostrado que la adición de varias sales de electrolito reduce al mínimo la emisión de cloro. Los ejemplos de estas sales o productos químicos pueden incluir cloruro de cobalto, óxido de iridio (Ir02) o sales solubles de Mn. Adicionalmente , hay aditivos solubles en agua tal como urea que se sabe que reaccionan con cloro (si se forma) para producir gases no tóxicos, que se desfogan fácilmente..
Sin embargo, se debe entender que el uso de electrolito alcalino se puede usar como parte del sistema descrito en la presente si se remueve dióxido de carbono del aire. Si es así, aún se pueden lograr todos los beneficios de una celda como se describe en la presente.
Celda de Zinc-Aire con Tercer Electrodo Un aspecto de la invención puede relacionarse a una batería reversible o recargable, tal como una celda de zinc-aire, que tiene un electrodo de zinc y un cátodo a base de carbono para reducción electroquímica de gas oxígeno. Este tipo de cátodo también se puede conocer como un cátodo de aire puesto que el oxígeno que se produce químicamente se obtiene típicamente el aire ambiente.
En las celdas tradicionales de metal-aire, eléctricamente recargables, limitadas, se espera que los electrodos de aire realicen dos funciones opuestas (por lo tanto el nombre ocasional electrodo de aire bi-funcional). La primera función es la reducción de oxígeno (durante la descarga de celdas) , la segunda función es la emisión de gas a oxígeno (durante la carga de la celda) .
Puesto que un electrodo de aire bi-funcional sirve para diversos propósitos, una reducción y oxidación, hay dos retos principales para estos electrodos de aire. Primeramente, solo hay un puñado de materiales conductores que no se corroerán fácilmente en electrolitos acuosos bajo estos cambios amplios en el potencial eléctrico aplicado. Esto hace más desafiante la selección de un colector de corriente de electrodo de aire. Segundo, la generación de burbujas de gas a oxxgeno durante la carga de la celda puede introducir presión y esfuerzos mecánicos en la estructura de carbono poroso que debilita este electrodo de aire.
Un posible planteamiento es no requerir que el mismo electrodo de aire poroso realice tanto las reacciones de reducción de oxígeno como de generación de oxígeno. En cambio, en algunas modalidades, se puede proporcionar un tercer o auxiliar electrodo, en lugar de un electrodo de aire normal. El electrodo auxiliar puede realizar exclusivamente la carga de la celda y la generación asociada de oxígeno. De esta manera, un electrodo de aire se puede proporcionar exclusivamente para la descarga de la celda en tanto que un segundo electrodo de aire, auxiliar se diseña y usa exclusivamente para la carga de la celda. Este electrodo auxiliar se puede colocar ya sea entre el electrodo de aire normalmente usado y el electrodo de metal, o colocar en ambos lados del electrodo de metal. Puesto que un electrodo auxiliar usualmente solo se usará durante la recarga de la celda y la generación de oxígeno, entonces se puede utilizar para la recarga (producción de oxígeno) , en tanto que el electrodo de aire tradicional se optimizará para la descarga (reducción de oxígeno) .
La Figura 12 muestra un ejemplo de esta nueva configuración de electrodo. La Figura 12 proporciona una vista esquemática de un diseño de tres electrodos para una celda de zinc-aire eléctricamente recargable. Aquí, un electrodo tradicional poroso de aire (CC) y un electrodo sólido de zinc (AA) se separan por electrolito líquido. Un tercer electrodo, auxiliar (BB) , que se solo se usa durante la carga de la celda, y está eléctricamente aislado del electrodo AA, se puede colocar entre el electrodo CC y el electrodo AA. En algunas modalidades, el electrodo auxiliar BB se puede aislar eléctricamente del electrodo AA, ya sea por un aislante o por una separación.
El electrodo puede ser un electrodo de aire, de carbono poroso, normal, o cualquier otro tipo de electrodo de aire. El electrodo CC puede ser un electrodo de metal de zinc, o cualquier otro electrodo de metal o ánodo como se describe en otra parte de la presente. Un tercer electrodo (BB) , que puede ser una malla de metal, laminilla, malla, o espuma, o polvo metálico o prensado o sinterizado solo se usa durante de la carga de la celda.
Durante la descarga celda, los electrodos AA y CC se conectan y se producen corrientes eléctricas.
Durante la carga de la celda, los electrodos BB y CC se pueden conectar automáticamente mediante un conmutador eléctrico y las corrientes eléctricas de un circuito externo se pueden aplicar a través de estos electrodos .
Al usar un arreglo de electrodo auxiliar, se puede obtener un diferente electrodo de carga (posiblemente más barato y más eficiente) . Durante la descarga de la celda, los electrodos CC y AA, conectados a través de un circuito externo, pueden proporcionar energía eléctrica. El flujo de corriente puede ser en la misma dirección como en las celdas tradicionales. El oxígeno del aire ambiente se puede reducir electroquímicamente por electrones generados en el electrodo de zinc.
Antes de la carga de la celda, ese tercer electrodo (BB) se puede conmutar de forma automática eléctricamente a la circuitería de la celda y el electrodo AA se desconecta del electrodo de metal (CC) , tal como el electrodo de zinc. Ahora, durante, la carga, los electrodos BB y AA se conectan eléctricamente y se utilizan. Los colectores de corriente se pueden configurar para tener áreas superficiales incrementadas. Estos colectores de corriente pueden estar en la forma de una malla, placas porosas, alambres, tamices, espuma, polvo prensado o sinterizado, tiras, u otras estructuras de área superficial abierta y/o alta, adecuadas. Esto puede permitir mejor contacto con el electrolito para la reacción de generación de oxígeno. La naturaleza porosa de este electrodo permite que el electrolito fluya a través de y también permite que se genere gas a oxígeno para que escape fácilmente. Puesto que el gas de 02 se genera en este electrodo auxiliar poroso, no habrá carbono de regreso para que se llegue a dañar.
Este tercer electrodo auxiliar también se puede diseñar para contener catalizadores específicos para mejorar la emisión de Oz (catalizadores que tienen bajos sobrepotenciales de oxígeno) . Además, este tercer electrodo entonces se puede proteger de corrientes inversas durante la descarga de la celda al usar diodos de . conmutación que solo permiten que este electrodo se utilice durante la' carga de la celda.
Después de que se ha cargado completamente la celda, el tercer electrodo (de carga) se puede desconectar de la circuitería de la celda y el electrodo de metal normal y un electrodo de aire tradicional se pueden reconectar.
Durante la descarga, se pueden conectar los electrodos AA y CC.
Durante la carga se pueden conectar los electrodos BB y CC.
Cualquier mecanismo de conmutación o conexión/desconexión conocido en la técnica se puede usar para proporcionar las conexiones deseadas durante la carga y descarga. Estas conexiones se pueden hacer en respuesta a instrucciones proporcionadas por un controlador.
El electrodo de aire de recarga se puede hacer: 1. Más grande que el electrodo de aire de descarga para permitir una rápida recarga a menores densidades de corriente . 2. Más pequeño que el electrodo de aire de descarga para ocupar menos volumen y no bloquear el electrodo de aire. Hidruros de metal como un ánodo de batería En algunas modalidades de la invención, el hidruro de titanio, TiH2, puede ser un material electrodo/ánodo de metal adecuado en una batería horizontal configurada.
Diferente de otras aleaciones de almacenamiento de hidrógeno de metal AB5 tal como LaNi5, el polvo de Ti y su hidruro pueden ser más baratos y tienen mayores densidades energéticas. También, diferente de otros electrodos de metal que se disuelven cuando se someten a oxidación, el TiH2 no se disuelve después de su oxidación. El TiH2 simplemente llega a ser Ti metálico, sólido.
Como un ánodo, durante el ciclo de descarga de la celda, el TiH2 puede liberar dos protones y dos electrones para formar metal de Ti. Durante la carga, dos protones y dos electrones se pueden regresar a Ti y. TiH2 se pueden formar nuevamente. Las reacciones de carga/descarga pueden ser: Descarga: TiH2 a ==> Ti + 2H + + 2e- Carga: Ti + 2H + +2e-a ==> TiH2 Los hidruros de metal típicos se deterioran después de numerosas ciclos de carga/descarga debido a los esfuerzos mecánicos inducidos. Esto puede provocar decrepitación y que se formen polvos de hidruro metálico y de metal de tamaño más pequeño. Estos polvos de tamaño más pequeño no se adhieren juntamente bien, dando por resultados una conductividad eléctrica disminuida y pobre desempeño de celda. Sin embargo, en unión con diseño de celda, configurado horizontal, actualmente propuesto, como se proporcionar adicionalmente en la presente, donde se colocan horizontalmente electrodos de metal, la acción de gravedad puede ayudar a que el polvo de Ti y TiH2 aun finamente dividido se asiente de regreso en el 1 colector de corriente por aba o. Aun si los electrodos de metal están ligeramente inclinados, la gravedad sin embargo puede hacer que el polvo Ti y TiH2 se asiente de regreso al colector de corriente de una manera relativamente uniforme y constante . Los polvos de TiH2 y de Ti permanecerán en contacto íntimo y este electrodo de metal puede continuar experimentando oxidación y reducción con buena eficiencia.
El polvo de Ti también se puede modificar por tratamiento mediante cualquiera de los varios procesos de tratamiento propuestos en la presente para hacer al Ti más eléctricamente conductor.
El hidruro de titanio puede trabajar como una batería normal o como una batería de titanio-hidruro-aire . Las características o porciones del análisis que se refieren a los con electrodos de hidruro de titanio también pueden aplicar a las baterías de zinc-aire u otras baterías de metal-aire, y viceversa.
Configuración/orientación horizontal de celda De acuerdo con otro aspecto de la invención, un sistema de batería de metal-aire, tal como un sistema de batería de zinc-aire, puede tener una configuración horizontal de celda. La Figura 1 muestra celdas de zinc-aire recargables arregladas en una orientación horizontal de acuerdo con una modalidad de la invención. El sistema de batería puede incluir un armazón de plástico 100a, 100b, un electrodo de aire 102a, 102b, un electrodo de metal 104a, un electrolito 106a, 106b, y un túnel de flujo de aire 108a, 108b. En algunas modalidades, un electrodo de aire 102a, 102b pueden incluir una membrana hidrófoba 110, carbono y el catalizador 112, titanio expandido 114, y carbono conductor 116. El electrodo de aire puede funcionar como un cátodo durante la descarga la celda. El electrodo de metal funciona como un ánodo durante la descarga de la celda . En otras palabras, el electrodo de aire funciona como un cátodo durante la. descarga de la celda y el electrodo de metal funciona como un ánodo durante la descarga de la celda. Durante la carga de la celda, el electrodo de aire de carbón poroso ahora funciona como un ánodo en tanto que el electrodo de metal ahora funciona como un cátodo. En algunas modalidades, un sistema de celda de batería de metal-aire puede comprender un electrodo de metal, un electrodo de aire, y una solución acuosa de electrolito. En algunas modalidades, el electrolito puede tener un pH que cae dentro del intervalo de aproximadamente 3 a 10.
En algunos ejemplos, se puede formar un armazón de plástico de Noryl, polipropileno (PP) , óxido de polifenileno (PPO) , poliestireno (PS) , poliestireno de alto impacto (HIPS) , acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) , tereftalato de polietileno (PET) , poliéster (PES) , poliamidas (PA) , cloruro de polivinilo (PVC) , poliuretanos (PU) , policarbonato (PC) , cloruro de polivinilideno (PVDC) , polietileno (PE) , policarbonato/acrilonitrilo-butadieno-estireno (PC/ABS) , o cualquier otro polímero o combinación de estos. En algunas modalidades, el plástico usado para formar una armazón se puede elegir por su capacidad para tolerar alta temperatura, por ejemplo, tan alta como el punto de ebullición del electrolito. En algunas modalidades, el plástico usado para formar una armazón puede ser moldeable por inyección. Un armazón de plástico hecho de plástico moldeado por inyección tal como, pero no limitado a, Noryl se puede diseñar retener tanto un electrodo sólido de zinc (mostrado en el fondo de la celda) y un electrodo de aire. El electrodo de zinc en el fondo de la celda se puede separar de una mampara de colector de corriente de metal de titanio expandido (incrustada dentro de la parte inferior del electrodo de aire de carbono poroso por una distancia fija. El relleno de este espacio de separación entre el electrodo de zinc (electrodo/ánodo de metal) y el colector de corriente de mampara de titanio (electrodo/cátodo de aire) es la solución de electrolito, de cloruro, acuosa, eléctricamente conductora.
El armazón 100a puede circundar una celda. Un electrodo de aire 102a se puede proporcionar como una capa superior de una celda. Se puede proporcionar un electrodo de metal 104a como una porción intermedia de una celda. Se puede proporcionar un túnel de flujo de aire 108b entre el electrodo de metal 104a de una primera celda y un electrodo de aire 102b de una segunda celda. Se puede proporcionar un electrolito 106a dentro de la celda. El electrolito 106a puede estar contenido por el armazón 100a y se puede soportar por la capa de electrodo de metal 104a. En modalidades alternativas, se pueden cambiar las posiciones del electrodo de aire y el electrodo de metal de modo que se puede proporcionar un electrodo de metal como una capa superior, y se puede proporcionar un electrodo de aire como una porción intermedia .
En algunas modalidades, el electrodo de aire puede ser un electrodo de cátodo de carbono-oxígeno o electrodo de oxígeno a base de polímero que tiene una membrana catalítica, hidrófoba, permeable a aire, un colector de corriente de metal resistente a la corrosión, en donde la carga eléctrica bajo potenciales anódicos, se puede favorecer la emisión de oxígeno. Los electrodos de aire también pueden incluir cualquiera de los materiales conocidos en la técnica.
En algunas modalidades, se puede usar tratamiento de plasma de gas de baja temperatura para mejorar notablemente la adhesión de metales a varios plásticos. Se ha mostrado que el plasma de gas mejora la adhesión de metales depositados, por áreas superficiales de polímero. Al tratar las superficies de polímeros con varios plasmas de gas antes de aplicar adhesivos estructurales se puede formar una unión más fuerte y más durables. Los ejemplos de plasmas de gas deseables pueden incluir 02, mezclas de CF4/02, o N2. Se espera que este tratamiento mejore la adhesión de un armazón de plástico a un electrodo de metal. En ya sea diseños de celda individual ó múltiples celdas, puede haber varias ubicaciones dentro de las pilas de celda donde una superficie de plástico se una por adhesivo una superficie de' metal con adhesivos estructurales . Este sello de mayor duración puede traducirse en una celda de mayor duración.
Hay varias ventajas distintas en tener una orientación horizontal de electrodo. Primeramente, una configuración horizontal puede permitir que las celdas se monten rápidamente y de . forma barata de armazones o recipientes de plástico moldeado por inyección. Otra ventaja es que no se necesita separador poroso de batería. En la mayoría de las baterías, las membranas que separación f ecuentemente son baratas y la perforación de esta membrana también es el modo de falla clave de estas baterías también. Al eliminar la necesidad de un separador poroso.de batería, las celdas se pueden producir y usar de manera más barata y confiable. En algunas modalidades, un electrolito dentro de una celda particular, puede hacer contacto directamente con un electrodo de metal de esa misma celda. En algunas modalidades, el electrolito puede hacer contacto directo con el electrodo de aire de la celda. No" se necesita proporcionar capa de separación entre el electrolito y el electrodo de metal. En algunas modalidades, no se proporciona capa de separación o separadora entre el electrolito y el electrodo de metal y/o el electrodo de aire. Por ejemplo, se puede proporcionar una celda de la batería de metal-aire recargable, que tiene un electrodo de metal, un electrodo de aire, y un electrolito acuoso entre el electrodo de metal y el electrodo de aire, en donde el electrodo de aire puede hacer contacto directo con el electrolito y no se proporciona separador entre el electrodo de aire y el electrolito.
La eliminación de una membrana separadora es una clave para disminuir los costos de la batería a niveles costeables y ayuda a extender el ciclo de vida de la batería de modo que llega a ser adecuado para el uso por una empresa de servicios. Al aumentar las celdas de modo que un que un electrodo de metal esté en la posición más baja, la gravedad ayuda a mantener el contacto (y cortocircuito) del electrodo de metal recubiertos electrolíticamente con el electrodo de aire anterior. En algunas modalidades, el electrodo de metal puede ser un ánodo de metal de zinc, y la gravedad puede mantener en contacto del zinc recubierto electrolíticamente con el electrodo de aire anterior. Esto crea una batería extremadamente confiable, puesto que no hay membrana que falle y la celda depende la gravedad para asegurar una operación apropiada. Un sistema de batería de metal-aire recargable puede ser capaz de un gran número de ciclos de descarga/recarga sin degradación física de materiales o degradación sustancial del desempeño del sistema de celda de batería. En algunas modalidades, el sistema puede ser capaz de aproximadamente 100 o más, 200 o más, 300 o más, 350 o más, 400 o más, 450 o más, 500 o más, 700 o más, 1000 o más, 1500 o más, 2,000 o más, 3,000 o más, 5,000 o más, 10,000 o más, o 20,000 o ciclos de descarga/recarga sin degradación sustancial.
Durante la operación de la celda, los productos de descarga de reacción pueden ser principalmente cloruro de zinc. Cuando la solubilidad de cloruro de zinc excede sus límites de solubilidad (y por lo tanto se forma en electrolitos a base de cloruro, la presencia de iones cloruro provocará mediante el efecto iónico común, que se cree exceda rápidamente los límites de solubilidad de cloruro de zinc) éste precipita. La configuración horizontal conjuntamente con la ayuda de la gravedad puede ayudar a precipitar las partículas de cloruro de zinc de regreso al electrodo de metal de zinc colocado horizontalmente, por abajo. Puesto las partículas de cloruro de zinc se depositan en/cerca del electrodo de zinc, los iones de zinc experimentarán considerablemente menos migración. Esto significa que durante la carga de la celda, cuando se deposita zinc de regreso en el electrodo de metal, puede haber menos zinc perdido en otras ubicaciones en la celda. Esto conduce a eficiencias considerablemente mejoradas del ciclo de zinc y una capacidad mejorada de celda. La eliminación de un separador de membrana en las celdas recargables también significa que se puede reducir al mínimo o reducir la pérdida o resistencia interna dentro de las celdas . Esto conduce a mayores potenciales de operación y a menos calor residual generado.
Una geometría horizontal también puede permitir establecer una distancia fija reproducible entre el electrodo de zinc (ánodo) y el colector de corriente del electrodo de aire. Esto ayuda a controlar de manera más reproducible la resistencia del electrolito. En algunas modalidades, una celda de batería puede tener un armazón que soportá el electrodo de metal y el electrodo de aire a una distancia fija uno del otro. Una distancia fija puede definir un espacio en el cual puede estar contenido un electrolito líquido. Segundo, en geometrías horizontales, donde cada electrodo individual de respiración de aire está dando hacía, se pueden apilar numerosos montajes de celda de zinc-aire en la parte superior uno del otro. Esto no solo incrementa las densidades energéticas (puesto que las celdas ahora se pueden empacar conjuntamente de forma más cerrada) , sino que también permite diseñar un sistema de batería con colectores horizontales de flujo de gas donde se puede bombear aire a través de poros de batería entre celdas individuales para hacer circular oxígeno/aire en la parte superior de cada electrodo dé aire individual.
La Figura 2 muestra un ejemplo de celdas individuales que se pueden apilar una en la parte superior de la otra. Una celda puede incluir un armazón de plástico 200a, 200b, un electrodo de aire 202a, 202b, un electrodo de metal 204a, 204b, y un electrolito 206a, 206b. El electrolito puede estar contenido por el armazón de plástico y puede estar soportado por el electrodo de metal. En algunas modalidades, el electrodo de aire se puede proporcionar por arriba del electrolito. El electrolito se puede intercalar entre el electrodo de metal y electrodo de aire . Uno o más túneles de flujo de aire 208a, 208b se pueden proporcionar entre las celdas. Se puede proporcionar un túnel de flujo de aire 208b entre un electrodo de metal 204a, y un electrodo de aire 202b.
De esta manera, se pueden separar dos celdas individuales una de la otra por un pasaje o túnel de aire horizontal (no trazado a escala) . Esta configuración de celda horizontal puede permitir que se bombee aire/oxígeno y se haga circular entre las celdas a los electrodos de aire individuales. El flujo de aire/oxígeno a los electrodos de aire puede permitir que las celdas mantengan su suministro de oxígeno, aun a mayores densidades de corriente y proporciona adicionalmente enfriamiento de la celda. No se necesita operar continuamente circulación de aire y las velocidades de flujo de aire se pueden regular mediante mecanismos de retroalimentación. En algunas modalidades, el aire puede fluir en la misma dirección para cada uno de los túneles de flujo de aire. De manera alternativa, el aire dentro de diferentes túneles de flujo de aire puede fluir en direcciones variadas.
En un ejemplo, un ventilador . (que puede incluir ventiladores axiales, ventiladores centrífugos, ventiladores de flujo cruzado) , bomba, o cualquier otro mecanismo para producir flujo de aire se puede usar. Uno o más accionadores pueden ser parte del mecanismo de flujo de aire o pueden estar en comunicación con el mecanismo de flujo de aire. Los ejemplos de accionadores pueden incluir, pero no se limitan a, motores, solenoides, accionadores lineales, accionadores pneumáticos, accionadores hidráulicos, accionadores eléctricos, accionadores piezoeléctricos, o imanes. Los accionadores pueden hacer que el aire fluya en base a una señal recibida de un controlador. Los accionadores se pueden conectar o no a una fuente de energía. Se pueden proporcionar uno o más sensores en un arreglo de celdas. En algunas modalidades, los sensores pueden ser sensores de temperatura, sensores de voltaje> sensores de corriente, o sensores de pH. Estos sensores pueden estar en comunicación con el controlador. En base a las señales recibidas de los sensores, el controlador puede proporcionar señales a los mecanismos de flujo de aire, que pueden variar y/o mantener el flujo de aire entre las celdas.
Como se menciona anteriormente, hay varias ventajas de una geometría horizontal en celdas de metal-aire.
A. Una geometría horizontal puede permitir una resistencia de electrolito fija/controlada, que puede requerir menos manejo de la celda.
B. Una geometría horizontal también puede proporcionar facilidad de montaje y apilamiento físico de múltiples celdas .
C. No hay necesidad de separadores de batería puesto que la gravedad puede separar los materiales de diferentes densidades.
D. El producto de descarga precipitado se puede ayudar por la gravedad, como se menciona anteriormente, para sentarse como una capa uniforme o sustancialmente uniforme en un electrodo de metal.
E. Un diseño horizontal puede ayudar a enfriar las celdas y también puede permitir mayor distribución de oxígeno, que puede permitir mayores corrientes.
F. La gravedad también puede ayudar a hacer fluir el electrolito como se describe más adelante.
G. La compresión puede mantener las celdas en su lugar .
Un diseño de batería horizontal no se necesita limitar a una batería de metal-aire, tal como una batería de zinc-aire. Un diseño de celda horizontal también se puede usar en otros sistemas de batería donde se forme un producto de descarga, sólido o ligeramente soluble. Esto puede incluir, pero no se limita a, baterías de plomo-ácido ("inundada" y VRLA) , baterías de NiCad, baterías de níquel-hidruro metálico, baterías de iones de litio, baterías de polímero de iones de litio, o baterías de sales fundidas.
Diseño de Centrodo para Interconexión de Celdas De acuerdo con un aspecto de la invención, se pueden proporcionar sistemas y métodos para conexiones escalables, económicas, entre múltiples celdas.
La interconexión de varias celdas individuales de metal-aire en una conexión eléctrica en serie en tanto se mantiene una configuración geométrica horizontal para una o más celdas (o cada celda) se puede lograr fácilmente por lo que se puede referir como un "centrodo" . Se puede crear un "centrodo" al tomar un electrodo de aire de una celda y. al fijarlo a presión a lo largo de ambos lados con una pieza metálica separada que sé puede unir eléctricamente a o puede ser en sí misma el electrodo de metal en la celda por arriba de este. El espacio entre el electrodo de metal (ahora colocado en la parte superior) y el electrodo de aire (ahora colocado por abajo) se puede separar por un canal delgado de aire 208a, 208b que permite que el aire fluya a la parte superior de estos electrodos de aire. Esto se muestra en la figura 2. El sub-montaje de centrodo resultante asemeja una sección de sombrero cuando se ve a través de la ruita de aire 108a, 108b (frente a la parte posterior) tal como se muestra en la Figura 1. El electrodo de metal y el electrodo de aire pueden estar alineados de manera sustancialmente vertical y orientados de forma horizontal.
La Figura 1 ilustra como un electrodo de metal 104a de una primera celda se puede fijar a presión alrededor de un electrodo de aire 102b de una segunda celda, conectando de este modo la primera y segunda celda en serie. El electrodo de metal de una primera celda y un electrodo de aire de una segunda celda se pueden conectar eléctricamente de cualquier otra manera. Por ejemplo, ya sea el electrodo de metal o el electrodo de aire se pueden fijar a presión entre sí, soldar con latón entre sí, soldar entre sí, presionarse entre sí, unirse con adhesivo conductor, soldarse entre sí o se sujetarse de otro modo.
En algunas modalidades, un electrodo de aire y el electrodo de metal se pueden separar por una distancia fija donde el . electrodo de aire se puede colocar por arriba del electrodo de metal. La distancia fija puede ser uniforme a través del área del electrodo de aire y el electrodo de metal. De manera alternativa, la distancia fija puede ser variable a través del área del electrodo de aire y el electrodo de metal. En algunas modalidades, la distancia fija puede caer en un intervalo que puede incluir aproximadamente 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 1 mm, 1.5, mm, 2 mm, 3 mm o más. La distancia fija entre el electrodo de aire y el electrodo de metal puede definir un espacio en el cual puede estar contenido o se proporciona un electrolito. El electrodo de aire y el electrodo de metal pueden ser parte de la misma celda de metal-aire.
Cualquier número de celda se puede montar, apilar y conectar para lograr ya sea el voltaje total de operación que se requiere. Cada armazón de plástico puede ser una parte común diseñada para ajustarse a la forma y requisitos de sellado centrodos individuales. Cada centrodo puede tener características superiores e inferiores únicas moldeadas en el plástico. Las características moldeadas en el plástico pueden ser las mismas de celda a celda, o pueden variar. Las características moldeadas pueden ayudar con el apilamiento de las celdas, y el soporte de los centrodos dentro de las celdas. Un proceso automatizado monta las celdas de una manera modular al intercalar esencialmente múltiples centrodos entre dos armazones correspondientes de plástico de las celdas. Este proceso se puede repetirr de fora continua.
La Figura 3 muestra una vista en sección isométrica de celda individual de acuerdo con una modalidad de la invención. La celda puede tener un armazón 300, y electrodo de metal 302, y el electrodo de aire 304. La celda puede tener una dimensión o forma deseada. Por ejemplo, la celda puede tener una forma rectangular, forma cuadrada, .forma circular, forma triangular, forma trapezoidal, forma pentagonal, forma hexagonal, o forma octogonal. El armazón se puede formar de manera correspondiente para ajustarse alrededor de la celda.
En algunas modalidades, un armazón 300 puede tener una porción vertical 312. El armazón también puede tener un estante horizontal 306 que puede sobresalir dentro de la celda. El estante puede sobresalir de la porción vertical donde quiera a lo largo de la porción vertical . En algunas modalidades, el estante puede sobresalir en o cerca del fondo de la porción vertical, en o cerca de la parte superior de la porción vertical, o en o cerca del centro de la porción vertical. La porción vertical y/o estante horizontal pueden proporcionar a lo largo de la circunferencia completa se pueden proporcionar a lo largo de uno, dos, tres, cuatro o más lados de. la celda. En algunas modalidades, una o más porciones de la celda pueden o no pueden incluir una porción del armazón (por ejemplo, la porción vertical y/o de estante del armazón) . En algunas modalidades, la sección transversal del estante se puede proporcionar como un rectángulo, trapezoide, cuadrado, cualquier otro cuadrilátero, triangulo o puede tener cualquier otra forma. En algunas modalidades, la superficie superior del estante puede estar inclinada. En algunas modalidades, la superficie superior del estante puede estar inclinada hacia abajo hacia el centro de la celda, o puede estar inclinada hacia abajo al perímetro de la celda. De manera alternativa, la superficie superior puede ser plana con una orientación horizontal.
En algunas modalidades, se puede proporcionar un electrodo de metal 302 por abajo del estante 306. En algunas modalidades, un electrodo de metal puede tener una orientación horizontal. El electrodo de metal puede hacer contacto con la parte inferior del estante. En algunas modalidades, el electrodo de metal se puede formar al para hacer contacto con uno o más lados verticales 312 del armazón. De manera alternativa, el electrodo de metal se puede formar para estar en proximidad cercana al lado vertical sin hacer contacto con el lado vertical. El electrodo de metal puede estar paralelo o sustancialmente paralelo al lado vertical en esa porción.
En algunas modalidades, el armazón puede tener una característica de fondo 314 provista en una porción inferior de la celda. En algunas modalidades, la característica de fondo puede ser un hendidura, ranura, canal, ranura o agujero que se puede proporcionar en o cerca del fondo del armazón. El electrodo de metal se puede formar para ajustarse dentro de la característica de fondo. Una porción del electrodo de metal que se ajusta dentro de la característica de fondo puede esta paralela o sustancialmente paralela a la superficie del electrodo de metal que abarca la celda. Una porción del electrodo de metal que se ajusta dentro de la característica de fondo puede estar perpendicular o sustancialmente perpendicular a una porción del electrodo de metal que se hace contacto o en proximidad cercana al lado vertical.
En algunas modalidades, un electrodo de aire 304 puede abarcar una celda. El electrodo de aire puede tener una configuración sustancialmente plana. En algunas modalidades, el electrodo de aire puede hacer contacto con una característica de fondo 314 de una celda. En algunas modalidades, el electrodo de aire se puede ajustar dentro de la característica de fondo de la celda. En algunas modalidades, una porción del electrodo de metal 302 puede hacer contacto eléctricamente con el electrodo de aire dentro de la característica de fondo de la celda. Por ejemplo, la porción del electrodo de metal se puede fijar a presión en alrededor del electrodo de aire dentro de la característica de fondo de la celda. En modalidades preferibles, se puede proporcionar una separación entre la porción del electrodo de aire que abarca la celda, y la porción del electrodo de metal que abarca la celda. Se puede proporcionar aire dentro de la separación. En algunas modalidades, el aire puede fluir dentro de esta separación.
En algunas modalidades, se puede proporcionar una característica superior en una porción superior de la celda. En algunas modalidades, la característica superior puede ser una hendidura, ranura, canal, abertura o agujero que se puede proporcionar en o cerca de la parte superior del armazón. En algunas modalidades, la característica superior puede ser una imagen en el espejo de la característica de fondo. En algunas modalidades, una característica superior puede acomodar un electrodo de metal y/o electrodo de aire por arriba de la celda. En algunas modalidades, un contacto eléctrico entre el electrodo de metal y el electrodo de aire se puede intercalar entre una característica de fondo de una primera celda y la característica superior de una segunda celda. En otras modalidades, no se necesita proporcionar una característica superior. También, una celda de plástico se puede moldear por inyección alrededor de un centrodó u ' otras conexiones eléctricas.
Otras configuraciones para las características del armazón, electrodos de metal, y electrodos de aire se pueden proporcionar. Por ejemplo, se puede proporcionar un electrodo de metal en la parte superior de un estante. Se puede proporcionar un electrodo de aire en la parte superior de una celda. Se pueden intercambiar las posiciones de los electrodos de metal y los electrodos de aire.
En algunas modalidades, un armazón puede incluir características moldeadas adicionales tal como un labio 308. El armazón también puede incluir una porción inclinada 310. En algunas modalidades, el labio puede capturar un electrolito. En algunas modalidades, algo del electrolito se puede verter por la porción inclinada 310 en una celda. El electrolito puede estar contenido por la porción vertical 312 de la celda y se puede soportar por una porción del electrodo de metal 302 que abarca la celda. En algunas modalidades, el labio puede permitir que una porción del electrolito fluya a través de la porción de labio del armazón y salga por abajo de la porción del labio del armazón. Esto impide o reduce el derrame del electrolito de la celda. En algunas modalidades, se puede proporcionar el electrolito desde dentro de la celda, o se puede proporcionar desde una fuente por arriba de la celda o se puede capturar, mantener o alimentar a una cámara de expansión o rebajada con cuchilla que empuja hacia arriba o diagonalmente hacia arriba por arriba de la celda de modo que la gravedad empujará el electrolito de regreso hacia abajo cuando hay espacio en la celda.
Una ventaja adicional de una configuración horizontal es que las celdas se pueden diseñar de modo que llega a ser significativamente más fácil el manejo del electrolito. Se puede proporcionar, de acuerdo con una modalidad de la invención, un sistema de manejo de electrolito a base de gravedad. Conforme se descargan las baterías de zinc-aire, puede incrementarse el volumen neto del sistema de zinc-electrolito. Si no se hace algún acomodo, conforme se expande el electrolito, la presión acumularse y el electrolito líquido puede penetrar la parte inferior del electrodo de aire. Esto puede provocar inundación del electrodo de aire y el diferencial de presión del electrolito en expansión puede provocar daño al frágil electrodo de aire. En pequeñas baterías cerradas, se debe permitir una expansión adicional para la expansión de líquido de electrolito. Sin embargo, este volumen adicional puede disminuir la densidad energética total y puede crear problemas en un sistema donde muchas celdas están en serie y todas las celdas deben mantener un nivel correcto de electrolito. Tampoco se permite que se alimente el nuevo electrolito con el sistema ni que se pruebe el electrolito.
De acuerdo con un aspecto de la invención, esta cuestión se afronta por cuatro celdas adyacentes horizontalmente alineadas donde las cuatro celdas comparten una esquina común. Este montaje de cuatro celdas se puede referir como como un "cuádrete" . En el punto donde se encuentra las cuatro celdas, las celdas pueden compartir uno orificio de relleno o de derrame o de recirculación. Cada celda se puede diseñar para tener acceso -a un orificio pequeño. Cada orificio puede téner un labio pequeño L de derrame que puede estar inclinado ligeramente por arriba de la superficie de fondo de cada electrodo de aire.
La Figura 5 muestra un ejemplo de un cuádrete de cuatro celdas, y la Figura 4A muestra una pila de celdas en sección transversal dentro de un sistema de manejo de electrolito a base de gravedad. El sistema de manejo de electrolito a base de gravedad puede incluir un canal de alivio de gas A, de tanque o recipiente B, que puede estar en comunicación para fluido con otro tanque o recipiente C. En algunas modalidades, las válvulas u orificios de entrada o salidas D, E se pueden proporcionar en un tanque. En algunas modalidades, los tanques adicionales o recipientes adicionales F pueden estar en comunicación con un tanque o recipiente principal C. Se pueden proporcionan cualquier distribución de tanques o recipientes. Estos pueden incluir o no filtros que pueden capturar partículas indeseadas . En algunas modalidades, los tanques también pueden proporcionar la oportunidad de proporcionar cualquier aditivo deseado. Puesto que un electrolito puede circular dentro de un sistema de manejo de electrolito, se puede reabastecer como sea necesario. En algunas modalidades, el electrolito se puede monitorizar conforme circula dentro del sistema, y puede que se necesiten hacer modificaciones al electrolito.
Un pasaje de fluido de suministro G puede suministrar electrolito a un sistema de batería. Un pasaje de fluido de retorno V puede retornar el electrolito al sistema de batería. Un pasaje de fluido puede incluir un tubo, tubería, canal o cualquier otro montaje que pueda transportar el fluido. El electrolito se puede suministrar a un tanque de electrolito superior H. Se pueden proporcionar uno o más drenajes u orificios de relleno J. Cuando un electrolito derrama K el tanque puede gotear hacia abajo en la celda subyacente y se captura por un labio de derrame L .
Un labio de derrame L puede asegurar un nivel constante de electrolito líquido que siempre está en contacto con todos los puntos de la cara inferior del electrodo de aire T. El electrolito P se puede proporcionar dentro de una celda. Durante la descarga de la celda cuando se expande el electrolito, este labio puede permitir el exceso para el electrolito drene. Todo esto se puede lograr sin in poner ninguna presión hidrostática en el electrodo de aire. En otras palabras, estos orificios únicos pueden permitir la expansión de líquido y escape gaseoso en tanto que se mantienen niveles apropiados (y automáticamente controlados) de electrolito. Este balance del nivel de electrolito también puede ayudar a mantener desempeño eléctrico uniforme. Estos orificios (localizados en el centro común de cada una de las cuatro celdas adyacentes, un "cuádrete") pueden alinearse verticalmente con otros orificios por abajo para crear una serie de tubos alimentadores verticalmente orientados, que pueden distribuir cualquier derrame de electrolito en todas las partes de las celdas apiladas dentro de un pequeña bandeja de sumidero U en el fondo de una pila de celda. Estos orificios pueden incluir una porción prismática M que puede romper el electrolito en gotas diminutas N.
Las celdas pueden incluir un electrodo de aire T y un electrodo de metal R que se pueden conectar en uno o más puntos de conexiones S. Se puede proporcionar un túnel de aire O entre el electrodo de aire y el electrodo de metal. En algunas modalidades, el electrodo de aire y el electrodo de metal pueden formar un centrodo. Un armazón Q se puede proporcionada para una celda, cuádrete, o un grupo de celdas o cuadretes. Los armazones se pueden apilar dentro del. sistema de batería.
Se pueden proporcionar una o más válvulas u orificios I dentro de un tanque superior de electrolito H o bandeja de sumidero U. El orificio puede permitir que se drenen algunos aditivos al electrolito y/o algo del electrolito. Un orificio puede permitir el desfogue de gases. En algunas modalidades, los orificios pueden proporcionar acceso para tomar mediciones. Los orificios pueden tener otros usos .
Durante la carga de la celda, cuando disminuyen los volúmenes de electrolito en cada celda, estos mismos orificios de relleno se pueden usar para adicionar electrolito liquido de regreso a cada celda de un "cuádrete" . Una se puede activar una bomba de sumidero para rellenar el "cuádrete" superior durante la carga de la celda. El electrolito que se derrama de este cuádrete horizontal más superior entra al tubo de drenaje y simplemente rellena el "cuádrete" horizontal por abajo. El relleno automático de los cuadretes con electrolito puede proseguir rápidamente hasta que todos los cuadretes en una pila vertical se han rellenado (o completado) con electrolito. Estos orificios de relleno/derrame se pueden diseñar para servir para otra función. Una saliente prismática (M) colocada por debajo de cada labio de derrame (4-L) puede ayudar a separar cualquier líquido de electrolito en gotas pequeñas (N) antes de caigan en un cu drete. Esto tiene el efecto de romper cualquier circuito eléctricamente conductor que de pueda de otro modo haber sido creado por un flujo continuo de líquido conductor entre celdas individuales. Un flujo roto del electrolito conductor puede haber provocado un cortocircuito eléctrico grande a través del alto voltaje producido por las numerosas celdas apiladas en serie.
En celdas verticalmente . orientas que usan configuraciones convencionales tipo placa y armazón, las conexiones líquidas entre las celdas pueden ser una fuente de pérdida de energía y otros problemas de diseño. La configuración horizontal proporcionada de acuerdo con modalidades de la invención, con el orificio de relleno/derrame descrito puede reducir al mínimo o reducir estas cuestiones con una parte de plástico moldeado por inyección, fácilmente montada.
La facilidad de montaje, modularidad y escalabilidad de este diseño también es fácilmente evidente en comparación a las dificultades asociadas con montajes convencionales de batería (ver Figura 5) .
La Figura 4B muestra un sistema adicional para mantener un nivel constante de electrolito dentro de una pluralidad de celdas apiladas de acuerdo con otra modalidad de la invención. Un sistema de manejo de electrolito de batería de flujo por gravedad puede incluir dos sistemas separados. El primer sistema puede incluir una estación de transfusión con un recargador de electrolito. El segundo sistema puede incluir una batería de metal-aire de flujo por gravedad tal como una batería de zinc-aire de flujo por gravedad .
Un cargador de electrolito y bomba de transfusión se pueden proporcionar de acuerdo con una modalidad de la invención. El cargador se puede conectar eléctricamente a un enchufe de carga que a su vez, se puede conectar a una fuente de energía, tal como una red de energía eléctrica/empresa de servicios. Se puede proporcionar un rectificador para convertir electricidad de CA de una fuente de energía a CC para cargar la batería. El sistema de transfusión con el cargador de electrolito se puede usar para las estaciones existentes de combustible, uso comercial o de flotillas. Se puede incorporar en las estructuras preexistentes . La bomba de transfusión puede incluir uno o más miembros de conducción de electrolito A, B, que pueden ser un tubo, tubería, canal o cualquier otro pasaje de fluido para transportar un electrolito líquido. Un primer miembro conductor de electrolito puede ser un suministro de electrolito A. Un segundo miembro conductor puede ser un retorno de electrolito B. El electrolito puede fluir desde el cargador de electrolito y la bomba de transfusión en el suministro de electrolito y puede fluir al cargador de electrolito y bombá de transfusión en el retorno del electrolito. En algunas modalidades, se puede usar una bomba, válvula, diferencial de presión o cualquier otro mecanismo para hacer que fluya el electrolito. En algunas modalidades, se puede proporcionar una válvula, conmutador, o mecanismo de fijación que pueda detener y/o iniciar el flujo de electrolito.
Una batería de metal-aire de flujo de electrolito asistido por gravedad puede incluir un tubo de relleno de electrolito recargado A, un tubo de retorno del electrolito usado B, una válvula de control C, un controlador electrónico D, una bomba E, una línea de suministro a un tanque de almacenamiento de electrolito F, una línea de suministro a colectores superiores G, válvula de control de suministro, superiores Hl, H2 , controla de flujo del electrolito, superior II, 12, orificios J-l, J-2, J-3, tanque de almacenamiento K, y línea de retorno de electrólito del tanque de almacenamiento L. En algunas modalidades, en un diseño de flujo asistido por gravedad, la gravedad puede empujar el electrolito a través de las celdas sin requerir que una bomba empuje el electrolito a través de las celdas. En un diseño de derrame de electrolito por flujo de gravedad, no se requiere un agente de absorción.
Un tubo de relleno de electrolito A puede proporcionar un electrolito a la batería de metal-aire de flujo por gravedad. La válvula de control C puede determinar si se va a proporcionar electrolito a la batería de metal-aire y como se necesitar proporcionar el electrolito/velocidad de flujo a la batería. La válvula de control se puede dirigir por un controlador electrónico D que puede proporcionar instrucciones a la válvula de control. Estas¦ instrucciones pueden determinar cuánto flujo de electrolito permite la válvula de control. Se pueden proporcionar instrucciones automáticamente del controlador. El controlador puede estar o no en comunicación con un procesador externo que puede proporcionar instrucciones al controlador. En algunas modalidades, el controlador puede tener una interfaz de usuario o puede estar en comunicación con un dispositivo externo que puede tener una interfaz de usuario. En algunas modalidades, un usuario puede ser capaz de comunicarse con una interfaz de usuario, y puede proporcionar instrucciones al controlador, lo que puede afectar las instrucciones proporcionadas a la válvula de control .
En algunas modalidades, la batería de metal-aire puede tener una bomba E que puede ayudar con el flujo y circulación del electrolito. En algunas modalidades, la bomba se puede proporcionar en un tanque de almacenamiento K de la batería de metal-aire. Una línea de retorno de electrolito del tanque de almacenamiento L puede proporcionar electrolito del tanque de almacenamiento K a la válvula de control C. La línea de retorno de electrolito del tanque de almacenamiento se puede conectar a la bomba. La bomba puede forzar el electrolito a través de la línea de retorno de electrolito hacia la válvula de control . El controlador electrónico puede proporcionar instrucciones a la válvula de control que puede determinar si el electrolito puede regresar y/o la velocidad de flujo a la cual puede regresar el electrolito.
Se puede proporcionar una línea de suministro al tanque de almacenamiento F. El electrolito puede fluir de la válvula de control C al tanque de almacenamiento K. También se puede proporcionar una línea de suministro a colectores ¦ superiores G. El electrolito puede fluir desde la válvula de control a los colectores superiores. En algunas modalidades, se puede proporcionar, un colector. En otras modalidades, se puede proporcionar una pluralidad de colectores superiores. Los colectores superiores pueden estar o no en comunicación para fluidos entre sí. En algunas modalidades, el electrolito proporcionado a través de la línea de suministro G se puede controlar por una o más válvulas de control de suministro, superiores Hl, H2. En algunas modalidades, se puede proporcionar una válvula de control para cada colector superior. La válvula de control puede regular el flujo de electrolito en cada colector superior. El controlador electrónico D puede estar en comunicación con las válvulas superiores de control de suministro. El controlador electrónico puede proporcionar instrucciones a las válvulas superiores de control de suministro. En algunas modalidades, las instrucciones proporcionadas por el controlador electrónico se pueden proporcionar sobre una conexión alámbrica o se pueden proporcionar de forma inalámbrica.
En algunas modalidades, los controladores superiores de flujo de electrolito II, 12 pueden controlar el flujo de electrolito del colector superior a las celdas por abajo. Los controladores de flujo pueden romper el electrolito en gotas. Los controladores de flujo pueden controlar la velocidad del flujo que se transfiere desde el colector superior a las celdas subyacentes .
En algunas modalidades, el colector superior y/o el tanque de almacenamiento K puede tener orificios J-l, J-2, J-3. En algunas implementaciones , los orificios pueden estar en comunicación con el controlador electrónico D. En algunas modalidades, los orificios pueden proporcionar acceso para tomar una o más mediciones. Las mediciones pueden ser comunicadas al controlador electrónico que puede proporcionar instrucciones a otras partes del sistema de manejo de electrolito. Por ejemplo, en base a las mediciones, el controlador electrónico puede hacer que la velocidad de flujo del electrolito se ajuste, se ajuste la temperatura del electrolito, se ajuste el pH del electrolito o se ajuste la composición del electrolito.
Se puede proporcionar una conexión eléctrica dentro del sistema de batería. Por ejemplo, se puede proporcionar una conexión eléctrica en un lado (+) de la batería y se puede proporcionar una conexión eléctrica en un lado (-) de la batería, y se puede conectar a un segundo enchufe de carga. El enchufe de carga 2 se puede enchufar en un enchufe hembra en la pared, tal como una red de energía eléctrica/empresa de servicios. Se puede proporcionar un rectificador de CA a CD que puede convertirse A de una red de energía eléctrica/empresa de servicios a CD para cargar las baterías. Un inversos se puede proporcionar o no que pueda convertirse D de las baterías a CA conforme se descargan las baterías .
En algunas modalidades, se puede monitorizar el voltaje del sistema.de batería. En algunas modalidades, se puede monitorizar el voltaje del sistema completo, o el voltaje de cada módulo se puede monitorizar de manera individual. Cuando cae inesperadamente el voltaje, esto puede indicar un problema con una o más celdas. En algunas modalidades, el sistema puede incrementar la velocidad de flujo de electrolito cuando cae el voltaje.
En algunas modalidades, una o más características de la batería y/o electrolito se pueden monitorizar en un punto individual. Por ejemplo, el pH del electrolito, la temperatura del electrolito, la composición del electrolito, se pueden medir en un punto individual, tal como el tanque de almacenamiento. La invención puede incluir un sistema de monitoreo simplificado que puede determinar si el sistema necesita ser ajustado sin requerir un sistema costoso y complejo de percepción.
Aditivos para Mejorar la Calidad de . Placa de Zinc y Formar Especies Insolubles de Zinc Las pérdidas de resistencia interna (IR, por sus siglas en inglés) se pueden mantener bajas al recubrir electrolíticamente un revestimiento de zinc de buena calidad durante cada ciclo de recarga. Un factor clave en la longevidad de esta celda es uqe no se tiene que mantener la forma específica del electrodo. Diferente de muchas químicas tal como plomo-ácido en las cuales el ciclo daña realmente el electrodo, la batería puede recubrirse electrolíticamente en un revestimiento fresco de zinc cada vez. El sistema de batería puede incluir aditivos que pueden mejorar el depósito de zinc en el electrodo de metal. Con aditivos claves tal como polietilenglicol de varios pesos moleculares, y/o tiourea, se puede recubrir electrolíticamente revestimiento de zinc, altamente conductor, de nivel liso, fresco durante cada ciclo de recarga de celda. Esta capa de zinc entonces puede experimentar oxidación a iones disueltos de zinc durante la siguiente descarga de celda. Puesto que no se requiere una forma física exacta durante el recubrimiento de zinc y puesto que la gravedad ayuda a mantener el zinc depositado en su lugar, la falla de electrodo de metal (bastante común en otros sistemas de batería) ahora se puede reducir al mínimo o reducir como un modo de falla. Esto ayuda a lograr una batería de un ciclo de vida muy largo.
Otra modalidad puede incluir otros aditivos que provocarán que los iones de zinc que se generan (durante la oxidación del electrodo de metal durante la descarga de las celdas) permanezcan cerca al electrodo de metal de modo que se reducirán fácilmente (sin migración excesiva) durante la carga de la celda. Por lo tanto, sería útil tener un electrolito de aditivo soluble en agua que (una ve en contacto con iones de Zn2+ formados en el electrodo de metal) pueda formar una especie insoluble de zinc que pueda precipitar al fondo de las celdas horizontalmente orientadas. Las especies insolubles de zinc pueden permanecer cerca del electrodo de zinc y ser más fácilmente disponibles para reducción durante la recarga. El sistema de batería puede incluir un aditivo que puede controlar la precipitación deseable. Estos aditivos pueden incluir cualquiera de las siguientes especies solubles en agua. Los ejemplos de especies solubles en agua que forman especies insolubles de zinc incluyen: benzoatos, carbonatos, yodatos y estearatos.
En algunas modalidades, los aditivos que tienen cualquiera de las propiedades descritas en la presente pueden incluir urea, tiourea, polietilenglicol , benzoatos, carbonatos, yodatos, estearatos, agente tensoactivo de catalizador soluble en agua, o aloe vera, solos o en combinación. En algunas modalidades, a la adición de extracto de aloe, vera puede reducir la corrosión de zinc.
Catalizadores Solubles como Aditivo de Electrodo para Mejorar la Formación de Oxígeno Durante la Recarga Además de los catalizadores sólidos incorporados en el electrodo de aire mismo, se pueden adicionar otros materiales tal como sales de manganeso solubles en agua para mejorar el desempeño de la celda durante la recarga. Puesto que esto genera oxígeno durante la recarga de la celda, también es útil permitir que escapen fácilmente las burbujas de oxígeno. Esto se puede lograr al adicionar agentes tensioactivos que actúan como agentes antiespuma (tal como Simeticona o Dowex) para romper las burbujas generadas. El sistema de batería puede incluir un aditivo que impide la espumación y permite la liberación de gas. Los aditivos pueden incluir uno o más de lo siguiente: simeticona, Dowex, aloe vera, u otros agentes tensioactivos.
El electrodo de aire también se puede montar con un pequeño ángulo al paralelo para ayudar a que las burbujas formadas de oxígeno dejen un cuádrete mediante orificio de relleno común cerca del labio de' derrame. En algunas modalidades, también se puede eliminar titanio gastado con un canal de alivio de gas, de perímetro estampado o corona ligeramente negativo de modo que se puede asegurar que la mayoría del área superficial del electrodo de aire es compatible con el electrolito. Cualquier burbuja o gas puede escapar fácilmente mediante los orificios de relleno común. Estas configuraciones también afrontan las cuestiones de tolerancia de planeidad y mitigan las ? ??^??ee de nivelación.
Urea como Aditivo de Electrolito para Eliminar el Cloro Formado El sistema de batería puede incluir un aditivo que impide la emisión de cloro y/o hipoclorito durante la recarga. Se puede adicionar urea al electrolito acuosos de batería para controlar la generación de cloro. La urea y el cloro puede reaccionar para formar cloruros y productos gaseosos benignos (por ejemplo, N2, C02, y H2) . Si se forma algún cloro libre en todo caso en el electrolito durante la carga de la celda, puede reaccionar fácilmente con urea soluble para formar cloruro adicional (que es ya un componente de electrolito) . Los gases generados de la * reacción de cloro con urea no son peligrosos y se pueden desfogar de forma segura. Si se adicionar urea al electrolito y no se reabastece, entonces, conforme las celdas se cargan (y i se genera gas de cloro) , la urea puede reaccionar con cloroformado, se agota, y no está disponible para remover ningún gas de cloro generado durante los ciclos subsiguientes de carga.
En el diseño de celda proporcionado de acuerdo con una modalidad de la invención, los electrolitos se pueden probar periódicamente y si los niveles de cloro están por arriba de un nivel predeterminado, se puede adicionar como se requiera urea adicional. En algunas modalidades, los electrolitos se pueden probar manualmente. En otras modalidades, se pueden proporcionar uno o más sensores para probar automáticamente los niveles de cloro y si es necesario, adicionar urea adicional para reaccionar con y remover cloro. En algunas modalidades, se puede adicionar manualmente urea conforme se necesita. En modalidades alternativas, se puede adicionar automáticamente urea cuando los niveles de cloro están por arriba de un nivel predeterminado. En algunas modalidades, el nivel predeterminado puede estar en el intervalo de 5% de urea en peso pero típicamente será unos pocos ppm de urea.
En algunas modalidades, el sistema de batería puede incluir un aditivo que impida la emisión de hidrógeno durante la carga. El aditivo puede incluir sales de cloruro de alto sobrepotencial de hidrógeno tal como cloruro de estaño, cloruro de plomo, mercurocloruro, cloruro de cadmio o cloruro de bismuto. Recarga Rápida con Suspensión espesa de Zinc/Electrolito Con un diseño horizontal de celda, se puede proporcionar un sistema donde las celdas se pueden recargar rápidamente (por ejemplo, para implicaciones móviles de largo alcance) . Las partículas de cloruro de zinc formadas durante la descarga se pueden remover rápidamente de las celdas mediante succión de esta suspensión espesa en un tanque de residuos o vejiga. Este líquido de electrolito usado se puede reemplazar por granulos frescos de zinc en la suspensión espesa de electrolito que se puede bombear de regreso a la celda horizontal. Las partículas sólidas de zinc pueden asentarse en el fondo de la celda (electrodo de metal) . Esta recarga mecánica solo se espera que tome unos pocos minutos.
En algunas modalidades, como se muestra en la Figura 4B, una o más celdas horizontales pueden estar dentro de un alojamiento o pueden formar parte del alojamiento de la batería. El alojamiento se puede conectar a un tanque. En algunas modalidades, el líquido de electrolito usado se puede regresar al tanque. El líquido de electrolito se puede regresar mediante un tubo, tubería, canal, conducto o cualquier otro aparato de comunicación para fluidos de retorno. En algunas modalidades, el tanque puede suministrar líquido de electrolito al alojamiento. El electrolito se puede suministrar mediante un tubo, tubería, canal, conducto o cualquier otro aparato de comunicación para fluidos de suministro. En algunas modalidades, el mismo tanque puede recibir el líquido del electrolito usado y proporcionar líquido fresco de electrolito. El líquido de electrolito puede tener un ciclo dentro del sistema. En algunas modalidades, el tanque puede tener uno o más procesos de tratamiento que pueden tratar el líquido de electrolito usado antes de que se suministre de regreso al alojamiento. Por ejemplo, se pueden adicionar granulos frescos de zinc al electrolito. En otras modalidades, se pueden usar diferentes tanques para recibir el líquidp de electrolito usado y proporcionar líquido de electrolito fresco. El electrolito fresco puede entrar al sistema y el electrolito usado se puede remover del sistema.
Las partículas de cloruro de zinc de la celda usada se pueden regenerar localmente o en algunas instalación regional (el equivalente de una refinería o granja de tanque) por técnicas electroquímicas bien conocidas. Esta modificación convertiría a este sistema de lo que se contempló típicamente como una batería a más de una celda de tipo de flujo o celda de combustible de zinc-aire. Sin embargo, todas las ventajas anteriores aún estarán disponibles y se puede lograr un ciclo más prolongado de descarga que un ciclo de descarga que estaría disponible de la cantidad de zinc que se puede ajustar en cada celda sin la circulación de zinc externo. Otro método de abastecimientos se puede describir como transfusión dé electrolito, donde el electrolito degradado se puede intercambiar con electrolito fresco por reabastecimiento rápido y conveniente, similar a estaciones tradicionales de bombeo.
Montaje y Alojamiento de batería de Metal-Aire Como se describe previamente, el sistema de batería de metal-aire puede incluir un alojamiento de batería. Este alojamiento puede tener cualquiera de las configuraciones que pueden contener una o más celdas individuales, encerradas. En algunas modalidades, una celda misma puede formar parte del alojamiento. Por ejemplo, las celdas se pueden apilar de modo que los armazones de celda pueden formar parte del alojamiento. En algunas modalidades, el alojamiento puede ser hermético a fluidos. Por ejemplo, el alojamiento puede se hermético al líquido y/o hermético a aire. En algunas modalidades, el alojamiento puede incluir uno o más mecanismos de desfogue.
A. alojamiento de plástico con ^cuádrete" de cuatro celdas compartidas y sistema de orificio de escape/relleno de electrolito.
La disposición y diseño de un armazón de celda de plástico se puede optimizar o mejorar para eficiencia de espacio, resistencia, capacidad de moldeo y pérdidas de resistencia interna mínimas o reducidas debidas a resistencia disminuida intercelda.
Un diseño de armazón de celda, de acuerdo con una modalidad de la invención, puede incorporar un sistema común de manejo centralizado de electrolito que se puede compartir por cuatro celdas horizontalmente orientadas, individualmente con armazón. En otras modalidades, el sistema centralizado de manejo de electrolito se puede compartir por cualquier número de celdas, incluyendo per no limitado a una, dos, tres, cuatro, seis, siete, ocho, nuevo, diez, once, doce, trece, catorce, quince, dieciséis, diecisiete, dieciocho, diecinueve, veinte o más celas. Este diseño puede permitir espaciado "centralizado" óptimo, capacidad de apilamiento físico, y conectividad eléctrica del sistema de colector.
La Figura 5 muestra un ejemplo de una configuración de pila de baterías de un sistema de almacenamiento de energía. Las paredes exteriores de los armazones de plástico 500a, 500b, 500c, 500d pueden formar una pared de alojamiento 502. En algunas modalidades, cuatro celdas 504a, 504b, 504c, 504d pueden formar un cuádrete 504 con un sistema de manejo de electrolito, centralizado, compartido 506.
Se puede apilar cualquier número de celdas en la parte superior una de otra. Por ejemplo, se pueden apilar cuatro celdas 504c, 504e, 504f, 504g en la parte superior una de otra. En algunas modalidades, se pueden apilar una en la parte superior de otra una o más, dos o más, tres o más, cuatro o más, cinco o más, seis o más, siete o más, ocho o más, nueve o más, diez o más, doce o más, quince o más, veinte o más, treinta o más, o cuarenta o más celdas. Uno o más pasajes de flujo de aire 508a, 508b, 508c, 508d se pueden proporcionar para cada celda. La pluralidad de celdas verticalmente apiladas se puede seleccionar para lograr un voltaje deseado. Si las celdas verticalmente apiladas se conectan en serie, el número de celdas verticalmente apiladas puede corresponder a un nivel de voltaje incrementado. Como se describe en la otra parte de la presente, se puede usar un centrodo para crear una conexión en serie entre celdas .
Cualquier número de cuadretes o pilas de cuádrete se puede proporcionar adyacente uno del otro. Por ejemplo, un primer cuádrete 504 puede estar adyacente a un segundo cuádrete 510. Una o más filas de cuadretes y/o una o más columnas de cuadretes se pueden proporcionar en un sistema de almacenamiento de energía. En algunas modalidades, un sistema de almacenamiento de energía puede incluir un arreglo de i x j de cuadretes, donde i,j son cualquier número entre mayor que o igual a 1, incluyendo pero no limitado a l, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, o más. En otras modalidades, las celdas o cuadretes pueden tener configuraciones escalonadas, configuraciones concéntricas, o se pueden colocar de cualquier manera con respecto uno al otro. Las separaciones se pueden proporcionar uno entre las celdas o cuadretes adyacentes. De manera alternativa, las celdas y/o cuadretes adyacentes se pueden conectar eléctricamente entre sí. En algunas modalidades, una o más celdas, o uno o más cuadretes pueden compartir un armazón común con la celda o cuádrete adyacente. En otras modalidades, cada celda o cuádrete puede tener su propio armazón que puede estar uno en contacto con el armazón de la celda o cuádrete adyacente.
Como se analiza anteriormente, cualquier número de celdas puede compartir un sistema común de manejo centralizado de electrolito. Cuatro celdas cuadriláteras pueden compartir un sistema común de manejo centralizado de electrolito, formando un cuádrete. En otros ejemplos, seis celdas triangulares pueden compartir un sistema común de manejo centralizado de electrolito o tres celdas hexagonales pueden compartir un sistema común de manejo centralizado de electrolito. Se puede usar cualquier combinación de las formas de celda, en donde una esquina de una o más celdas puede compartir un sistema común de manejo centralizado de electrolito. Cualquier referencia a los cuadretes también se puede aplicar a otros números o configuraciones de celda que pueden compartir un sistema común de manejo centralizado de electrolito. Se pueden proporcionar conexiones conductoras transversales horizontales y/o verticales. Esto puede proporcionar redundancia de conexión.
B. Colector único y diseño de sistema de goteo controlado por gravedad La Figura 6 muestra un ejemplo de un sistema de manejo centralizado de electrolito para un sistema de almacenamiento de energía de acuerdo con una modalidad de la invención. Una pluralidad de celdas 600a, 600b, 600c pueden compartir un sistema común de manejo de electrolito. El sistema de manejo de electrolito puede incluir un labio 602a, 602b, 602c para cada celda. El labio puede ayudar con la contención del electrolito líquido dentro de la celda. El sistema de sistema de manejo de electrolito también puede incluir una o más porciones inclinadas o verticales 604a, 604b, 604c. La porción inclinada o vertical puede dirigir electrolito para que fluya a la celda. En algunas modalidades, la combinación del labio y porción inclinado vertical puede capturar el electrolito provisto por arriba de la celda. En algunas modalidades, una o más salientes de soporte 606a, 606b, 606c se pueden proporcionar. El sistema de manejo centralizado de electrolito también puede incluir una saliente prismática 608a, 608b, 608c que permite que el electrolito de derrame gotee a las celdas subyacentes y/o un tanque de captura de electrolito por abajo.
En un ejemplo, se puede capturar un electrolito líquido por un labio de derrame 602a de una primera celda 600a. El líquido de electrolito puede fluir hacia abajo de la porción inclinada o vertical 604a y estar contenido dentro de la celda. Si el electrolito líquido se derrama de la primera celda, puede fluir sobre el labio de derrame y en la saliente prismática 608a. Puede fluir a través de la saliente prismática y ser capturado por el labio 602d y la porción inclinada o vertical 604d de una segunda celda 600d por abajo de la primer celda. El electrolito se puede capturar por y contener dentro de la segunda celda. Si la segunda celda se está derramando o se derrama, el fluido de electrolito puede fluir a través de la saliente prismática 608d de la segunda celda y ser capturado por una tercera celda 600e, o puede continuar fluyendo hacia aba o.
Cuando se rellena inicialmente un sistema de batería con electrolito, las celdas en la parte superior se pueden rellenar primero y luego el electrolito puede derramarse en las celdas o cuadretes subyacentes, que entonces puede fluir sobre celdas subyacentes adicionales o cuadretes, sin embargo se pueden proporcionar muchas copas de celdas .verticales. Eventualmente , todas las celdas en una configuración de pila vertical se puede rellenar con electrolito y el electrolito en exceso se puede capturar por una bandeja de depósito de fondo por debajo de las celdas.
Cualquiera de las características del sistema de manejo de electrolito pueden estar integrales al armazón de celda o pueden estar separadas o ser separables del armazón de celda. En algunas modalidades, las características se pueden moldear por inyección.
El sistema de manejo de electrolito puede manejar continuamente los niveles de electrolito líquido en "cuadretes" de cuatro celdas para asegurar el contacto eléctrico uniforme y constante con la porción inferior de cada electrodo de aire. Se puede proporcionar el electrolito suficiente a las celdas de modo que los electrolitos pueden hacer contacto con la porción inferior (por ejemplo, 610a) e un electrodo de aire. En algunas modalidades, la porción inferior puede ser un electrodo/ánodo de metal. En otras modalidades, suficiente electrolito se puede proporcionar o no a la celda para asegurar que el electrolito haga contacto para asegurarse que el electrolito haga contacto con una porción de fondo 612a de una sobrecarga de electrolito de aire. La porción de fondo del electrodo de aire puede ser un cátodo durante la descarga.
La Figura 3 proporciona una vista adicional de una celda que tiene un sistema de manejo de electrolito en la esquina.
En modalidades preferibles, una saliente o labio prismático se puede configurar para romper cualquier conexión potencial del líquido conductor que fluye entre las celdas. La saliente prismática puede romper el líquido de electrolito en gotas de pequeño tamaño. La saliente prismática puede controlar la velocidad de flujo de cualquier electrolito de derrame .
El sistema de manejo de electrolito puede ser útil para permitir el derrame y manejo eficiente del electrolito. Se puede capturar el electrolito de derrame por celdas por abajo o puede fluir hacia abajo hasta que se capture por un tanque por abajo.
El sistema de manejo de electrolito también puede permitir que los gases indeseados, generador se desfoguen de forma segura. En algunas modalidades, los gases se pueden desfogar a través de pasajes formados por las porciones prismáticas, ya se hacia arriba o hacia abajo.
De manera ventajosa, el sistema de manejo de electrolito puede reabastecer las celdas con electrolito líquido mediante un sistema de inmersión controlado por gravedad. Se pueden reabastecer las celdas por derrame de celdas elevadas, o de una fuente de electrolito. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 4A, se puede suministrar electrolito a un tanque superior de retención. Se puede suministrar electrolito de cualquier otra manera.
Como se proporciona en las modalidades de la invención, un orificio común de relleno y de derrame, asistido por gravedad para cada celda se puede generalizar y usar en cualquier otro dispositivo de almacenamiento de energía donde los niveles de electrolito líquido pueden cambiar durante la carga y descarga. Estos sistemas de manejo de líquido no se necesita limitar a celdas de metal-aire, tal como celdas de zinc-aire. Otros tipos de celdas de almacenamiento de energía pueden utilizar sistemas similares de manejo de líquido. El nivel de electrolito líquido puede ser ajustado automáticamente de modo que solo toca la porción inferior de cada electrodo de aire individual.
Una modificación adicional a este diseño comprende fabricar cada celda con una cavidad ahuecada contenida en un lado. Esto puede funcionar como un depósito de líquido donde los volúmenes en exceso de electrolito se pueden almacenar con seguridad conforme se necesitan. Conforme disminuyen los volúmenes de electrolito, el líquido en exceso almacenado en esta cavidad puede fluir automáticamente hacia abajo mediante gravedad y ser usado para rellenar la celda asegurando de este modo que todas las partes del lado que da hacia el electrolito (porción de fondo) del electrodo de aire permanezcan en contacto con el electrolito líquido.
C. Diseño de compresión para conflabilidad La Figura 5 proporciona una vista de una configuración de pila de baterías. Como se describe anteriormente, en algunas modalidades, las superficies exteriores de los armazones de las celdas pueden formar un alojamiento. En algunas modalidades, todas las superficies selladoras criticas pueden estar bajo carga compresiva vertical para conflabilidad de sellado adicional a largo plazo. Por ejemplo, se puede aplicar una carga compresiva a la pila de celdas, que puede distribuir la carga compresiva a" los armazones. Esto provoca que los armazones se compriman conjuntamente y formen un sello. La carga compresiva se puede proporcionar en una dirección que comprime una pila de celdas conjuntamente. La carga compresiva se puede proporcionar en una dirección perpendicular a un plano formado por un electrodo de metal o un electrodo de aire de la celda. En algunas modalidades, la carga compresiva se puede proporcionar en una dirección vertical.
Los montajes de centrodo se pueden intercalar entre los correspondientes armazones de plástico para formar una serie de celdas individualmente selladas. Como se describe anteriormente, se pueden formar centrodos cuando un electrodo de metal de una celda se conecta eléctricamente al electrodo de aire de otra celda. En una modalidad, esta conexión eléctrica se puede formar cuando un electrodo de metal se fija a presión alrededor de un electrodo de aire. Esto puede permitir una conexión en serie entre las celdas . En algunas modalidades, se puede aplicar una fuerza compresiva entre las celdas. La fuerza compresiva se puede aplicar a la conexión entre el electrodo de metal y el electrodo de aire. La aplicación de una fuerza que pone conjuntamente el electrodo de metal y el electrodo de aire puede mejorar la conexión eléctrica entre el electrodo de metal y el electrodo de aire. En algunas modalidades, el punto de contacto del electrodo de metal y el electrodo de aire se puede intercalar entre armazones de plástico, y la carcfa compresiva puede proporcionar una fuerza de compresión entre los armazones y contactos. Un sello hermético fluido se puede formar, que puede impedir que el electrolito fluya de una celda a otra mediante el contacto de armazón con el electrodo. Este sello se puede hacer o soportar con adhesivo.
Las paredes exteriores y las divisiones interiores (que pueden formar armazones de la celda) pueden ser miembros estructurales diseñados para alojar y sellar apropiadamente los trabajos interiores de cada celda, y aplicar cargas compresivas en uniones críticas de celda y superficies selladoras. Esto proporciona un diseño confiable, fácilmente montado y un sistema estructural ventajoso cuando se apilan verticalmente las celdas individuales. La Figura 1 y la Figura 2 muestran cómo se pueden apilar verticalmente las celdas individuales. Algunas modalidades, la pila se puede cargar con una fuerza compresiva que se puede aplicar a los armazones y/o conexiones entre los electrodos y de metal y los electrodos de aire.
D. Electrodo de metal, submontaje de electrodo de aire La Figura 1 muestra una conexión entre un electrodo de metal y un electrodo de aire. En algunas modalidades, un método de montaje estampado sujeta a presión el electrodo de metal sobre el electrodo de aire, formando una sección de sombrero para que pase a través el aire. En algunas modalidades, el electrodo de metal se puede fijar a presión sobre el electrodo de aire de modo que una porción del electrodo de metal hace contacto con un borde en un primer lado del electrodo de aire y un borde en un segundo lado del electrodo de aire. En otras modalidades, el electrodo de aire se puede fijar a presión sobre el electrodo de metal de modo que una porción del electrodo de aire hace contacto con un borde en un primer lado del electrodo de metal y un borde en un segundo lado del electrodo de metal. El electrodo de metal y el electrodo de aire se pueden fijar a presión conjuntamente de cualquier manera de modo que se doblen o plieguen uno sobre otro con varias configuraciones. En algunas modalidades, se sujetan a presión o se unen de otro modo conjuntamente de modo que hacen contacto entre sí sin requerir ninguna flexión o pliegue. Se pueden usar otras maneras para formar una conexión eléctrica, como se menciona anteriormente .
Un montaje de electrodo de metal-aire puede utilizar diferente materiales que se pueden fijar a presión para formar una conexión de flujo eléctrico a lo largo de ambos lados de la ruta dé aire. En algunas modalidades, los ejemplos de materiales para el electrodo de metal pueden incluir zinc (tal como amalgama en polvo de zinc) , o mercurio. Los ejemplos de materiales para el electrodo de aire pueden incluir carbono, Teflón o manganeso.
Un montaje dé electrodo de metal-aire se puede proporcionar donde el electrodo de metal proporciona el piso sellado de la mezcla de' electrolito por arriba, en tanto que el electrodo de aire forma la cubierta sellada para la mezcla de electrolito por abajo. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 1, un electrodo de metal 104a puede formar el piso de una mezcla de electrolito 106a. El electrodo de aire 102a puede formar la cubierta para la mezcla de electrolito. Se puede sellar el electrodo de metal y/o electrodo de aire.
Un centrodo formado por el electrodo de metal y el electrodo de aire puede tener cualquier dimensión. Una o más de las dimensiones (por ejemplo, longitud u ancho) puede ser aproximadamente 1/4 de pulgada, 1/2 pulgada, 1 pulgada, 2 pulgadas, 3 pulgadas, 4 pulgadas, 5 pulgadas, 6 pulgadas, 7 pulgadas, 8 pulgadas, 9 pulgadas, 10 pulgadas, 11 pulgadas, 12 pulgadas (0.635 cm) , (1.27 cm) , (2.54 cm) , (5.08 cm) , (7.62 cm) , (10.16 cm) , (12.7 cm) , (15.24 cm) , (17.78 cm) , (20.32 cm) , (22.86 cm) , (25.4 cm) , (27.94 cm) , (30.48 cm) o más .
E. Diseño conductivo cruzado entre celdas La Figura 7 muestra una vista adicional de una configuración de pila de batería con conexiones de electrodo de metal -electrodo de aire. Se puede proporcionar una configuración de montaje de electrodo de metal - electrodo de aire donde los rebordes de fijación vecinos u otras extensiones de centrodos se traslapan o tocan, creando una conf guración en serie, horizontal y verticalmente conectada eléctricamente y repetibie y modular.
Una primera celda puede incluir miembros de armazón 700a, 700c, y puede tener un electrodo de metal 702a. El electrodo de metal se puede fijar a presión alrededor del electrodo de aire 704b de una celda subyacente. En algunas modalidades, el electrodo de metal de una celda vecina 702c se puede fijar a presión alrededor del electrodo de aire de su celda subyacente 704d. En algunas modalidades, la conexión eléctrica formada por el electrodo de metal 702a y electrodo de aire 704b pueden estar en comunicación eléctrica con la conexión eléctrica formada por el electrodo de metal 704c y el electrodo de aire 704d. Por ejemplo, uno de los electrodos de metal 702c puede hacer contacto con el otro electrodo de metal 702a. De manera alternativa, la conexión eléctrica entre las celdas vecinas se puede formardo por cualquier combinación de electrodos de metal y/o electrodos de aire que hacen contacto entre sí. En algunas modalidades, las conexiones eléctricas entre las celdas subyacentes y suprayacente y las celdas adyacentes (por ejemplo, la conexión entre 702c, 704d, 702a, 704b) se pueden proporcionar entre armazones (por ejemplo, 700c, 700d) .
La Figura 7 muestra un ejemplo de como los electrodos de metal y los electrodos de aire pueden hacer conexiones eléctricas por fijación a presión y plegado. Sin embargo, . se puede usar cualquier combinación de contactos entre electrodos de metal y electrodos de aire plegados sobre o haciendo contacto uno sobre otro de acuerdo con varias modalidades de la invención. Las posiciones de los electrodos de metal y electrodos de aire se puede invertir en modalidades alternativas de la invención, y cualquier análisis con respecto a las posiciones de los electrodos de metal puede aplicar a las posiciones de electrodos de aire y viceversa.
Los rebordes de fijación de traslape o de otro modo compatibles pueden permitir una conexión eléctrica enserie o enserie-paralelo para conflabilidad, simplicidad y flexibilidad del sistema. Por ejemplo, una ventaja de ese sistema puede ser que se necesitan menos alambres y puntos de conexión debido a que cada fila en un armazón de celda se pueden conectar eléctricamente en serie mediante rebordes de fijación de traslape.
La Figura 9A proporciona una vista de fondo de un montaje de armazón de celda con conexiones eléctricas. Una o más celdas 900a, 900b, 900c, 900s, pueden formar un cuádrete con un sistema común de manejo de electrolito 902. El fondo de una celda se puede formar de un electrodo de metal. Se pueden proporcionar uno o más componentes de armazón 904a, 904b, 904c, 904d, 906a, 906b, que separan las separan las celdas. En algunas modalidades, para las celdas adyacentes se pueden proporcionar conexiones eléctricas entre las celdas. Por ejemplo, se pueden proporcionar conexiones eléctricas entre dos o más celdas dentro de una fila, tal como entre una primera celda 900a y una segunda celda 900b. Se puede proporcionar una conexión eléctrica cerca de un armazón 904a entre las celdas . Se pueden proporcionar conexiones eléctricas entre dos o más celdas dentro de una columna, tal como entre una primera celda 900a y una segunda celda 900c. Se puede proporcionar una conexión eléctrica cerca de un armazón 906a entre las celdas. Se pueden proporcionar conexiones eléctricas para cualquier combinación de celdas adyacentes dentro de una fila o columna.
En algunas modalidades, no se proporcionan conexiones eléctricas entre celdas adyacentes. En algunas modalidades, se puede proporcionar conexiones eléctricas solo entre celdas suprayacentes y subyacentes que forman una pila.
La Figura 9B muestra una vista de un montaje de armazón y uno o más centrodos . Un armazón 880 se puede proporcionar para una o más celdas individuales o cuadretes, o una pluralidad de celdas individuales o cuadretes. Se pueden formar uno o más centrodos 882a, 882b de un electrodo de metal 884 y un electrodo de aire 886. Un centrodo se puede formar para ajustarse dentro del armazón. En algunas modalidades, el armazón puede descansar en los centrodos de modo que una porción lateral del armazón forma una pared de una celda y el electrodo de metal del centrodo forma el piso de la celda. Una pluralidad de centrodos adyacentes, por ejemplo, 882a, 882b sé puede conectar eléctricamente entre sí. Por ejemplo, un centrodo puede tener un punto donde el electrodo de metal y el electrodo de aire hacen contacto entre sí 888. El punto de contacto de una primera celda puede hacer contacto con un punto de contacto de la segunda celda. En algunas modalidades, el centrodo se puede formar de modo que un se proporcione un túnel de aire 890 entre el electrodo de metal y el electrodo de aire.
El armazón 880 puede incluir un montaje de distribución de electrolito 892 que se puede formar integralmente en el armazón. El montaje de distribución de electrolito puede incluir una ranura 894 que puede permitir que fluya el electrolito a las celdas subyacentes. El montaje de distribución de electrolito puede incluir un labio de derrame 896 que puede determinar cuándo se derrama de electrolitos en la ranura. En algunas modalidades, la altura del labio de derrame puede proporcionar tolerancia para cuando se inclinan las celdas o el sistema completo de batería. Aun si se inclina el sistema completamente de batería, si el labio de derrame es suficientemente alto, se retendrá suficiente electrolito dentro de las celdas antes del derrame.
El armazón también puede incluir un anaquel 898 que puede sobresalir del armazón. El electrodo de metal 884 puede hacer contacto con el anaquel. En algunas modalidades, se puede formar un sello hermético fluido entre el electrodo de metal y el anaquel . El contacto entre el electrodo de metal y el electrodo de aire 888 puede hacer contacto con una porción de fondo del armazón 881. La porción de fondo del armazón puede descansar en la porción superior del punto de contacto.. Se puede formar o no una conexión hermética a fluidos. Una porción de fondo 883 de un armazón puede descansar en la parte superior de un punto de contacto formado entre centrodos adyacentes .
F. Montaje modular y configuración apilable La Figura 5 muestra un diseño que utiliza un componente de armazón de plástico que intercala esencialmente múltiples centrodos entre dos de los armazones comunes. Esto puede proporcionar de manera ventajosa un diseño simplificado. Por ejemplo, como se muestra, se puede proporcionar un armazón que forma un patrón de rejilla que puede abarcar múltiples celdas. Los armazones de patrón de rejilla se pueden apilar uno en la parte superior del otro. En algunas modalidades, los armazones de patrón de rejilla se pueden formar de una pieza integral individual . De manera alternativa, los armazones de patrón de rejilla se pueden formar de múltiples piezas que se pueden conectar entre sí.
Las múltiples piezas pueden o no ser desprendibles . Los centrodos 512a, 512b se puede proporcionar entre los • armazones 514a, 514b, 514c.
El diseño de armazón puede incluir un sistema de manejo de agua. El sistema de manejo de agua se puede proporcionar en las figuras 4A-4B, que puede mostrar entradas de agua, orificios elevados de derrame y bordes prismáticos de goteo, como se describe previamente. El sistema de manejo de agua se puede usar para asegurar un nivel deseado de electrolito dentro de una o más celdas.
Cuando se apila, el diseño de armazón de plástico puede formar una serie de tubos o tubería vertical que permite el derrame de agua, el reabastecimiento por goteo de electrolito y el escapa de gas. Como se analiza previamente en relación a las figuras 4A-4B y la figura 6, se puede proporcionar un sistema de manejo de electrolito. Cuando los armazones se apilan uno del otro, el sistema de manejo de electrolito se puede proporcionar para pilas de celdas.
La configuración de montaje de armazón apilable puede ser tanto modular como eficiente. Las características de plástico pueden ajustarse a la forma de acoplamiento del electrodo de metal por abajo y el electrodo de aire por arriba de la celda por debajo de esto, que puede permitir una configuración modular con menos partes. La Figura 1 y. la figura 2 proporcionan un ejemplo de una pila de celdas con características en los armazones que se pueden moldear para ajustarse al electrodo de metal y la conexión de electrodo de aire. Dependiendo de la forma de la conexión del electrodo de metal y el electrodo de aire, los armazones se pueden formar para ajustarse a la forma de conexión. En algunas modalidades, se pueden proporcionar uno o más dobleces, ranuras, canales, salientes o agujeros en el armazón de plástico para complementar una característica formada correspondiente de la conexión de electrodo de metal-electrodo de aire. En algunas modalidades, la forma complementaria puede impedir que el armazón cambie horizontalmente en una o más direcciones. Cualquier característica puede estar integral a la celda o ser separable de la celda. En algunas modalidades, las características del armazón se pueden moldear por inyección. G. Configuraciones de utilización e instalación modular Se pueden lograr múltiples configuraciones de batería al aumentar en escala o reducir en escala el diseño del armazón. Por ejemplo, el diseño de armazón puede incluir un armazón de celda individual, armazón de celda en cuádrete, múltiples cuadretes en un armazón individual. El diseño de armazón para cada agrupamiento (por ejemplo, celda individual, celda en cuádruple, múltiples cuadretes se puede formar en una pieza integral individual . De manera alternativa, el diseño de armazón puede incluir múltiples partes .
En algunas modalidades, se pueden proporcionar múltiples armazones adyacentes uno al otro. Por ejemplo, se pueden proporcionar múltiples armazones de celda individual, armazones de celdas en cuádrete, o armazones de múltiples cuadretes adyacentes uno al otro. Los armazones proporcionados adyacentes uno al otro se pueden conectar uno entre sí usando un conectador. En algunas modalidades, se puede proporcionar una fuerza para mantener los armazones uno contra el otro.
Los armazones se pueden apilar a cualquier altura deseada dependiendo de las demandas de energía y almacenamiento. Cualquier número de armazones se pueden apilar en la parte superior del otro. Por ejemplo, sé pueden apilar uno en la parte superior del otro, uno o más, dos o más, tres o más, cuatro o más, cinco o más, seis o más, siete o más, ocho o más, nueve o más, diez o más, doce o más, quince o más, veinte o más, treinta o más, sesenta o más, noventa o más, 120 o más, o 150 o más armazones. En algunas modalidades, cada armazón puede ser de 1/8 de pulgada, 1/4 de pulgada, 1/2 de pulgada, 3/4 de pulgada, 1 pulgada, 1.25 pulgadas , 1.5 pulgadas , 2 pulgadas , 2.5 pulgadas , 3 pulgadas , 4 pulgadas, 5 pulgadas, 6 pulgadas, 8 pulgadas, 10 pulgadas o 12 pulgadas (0.3175 cm) (0.635 cm) , . (1.27 cm) , (1.91 cm) , (2.54 cm) , (3.175 cm) , (3.81 cm) , (5.08 cm) , (6.35 cm) , (7.62 cm) , (10.16 cm) , (12.7 cm) , (15.24 cm) , (20.32 era), (25.4 cm) , (30.48 cm) de alto. En algunas modalidades, la altura total de una pila de armazones puede estar en el orden de aproximadamente 1 pulgada (2.54 cm) o más pulgadas (o centímetros) , 3 pulgadas (7.62 cm) o más pulgadas (o centímetros), seis (15.24 cm) o más pulgadas (o centímetros), 1 pie (0.3048 m) o más pies (o metros), 2 pies (0.6096 m) más pies (o metros), 3 pies (0.9144 m) o más pies (o metros)', 5 (1.524 m) o más pies (o metros), 10 (3.048 m) o más pies (o metros) o 20 pies (6.096 m) o más pies (o metros).
Las pilas de armazones individuales se pueden orientar en varias direcciones para optimizar la circulación de aire. Por ejemplo, se pueden proporcionar túneles de aire dentro de celdas. En algunas modalidades, los túneles de aire se pueden proporcionar entre celdas. Por ejemplo, se puede formar un túnel continuo de aire entre celdas adyacentes. Se pueden proporcionar túneles de aire para columnas de celdas y/o para filas de celdas. En algunas modalidades, los túneles de aire pueden estar paralelos entre sí. En otras modalidades, uno o más túneles de aire pueden ser perpendiculares entre sí. En algunas modalidades, se pueden formar túneles de aire de una línea recta, o en otras modalidades, los túneles de aire pueden tener dobleces o curvas. En algunas modalidades, cuando las celdas se pueden empinar ligeramente, los túneles de aire pueden estar sustancialmente orientados de forma horizontal, pero tienen una ligero aumento y caen para acomoda la inclinación de las celdas . El aire puede fluir en la misma dirección para túneles de aire paralelos, o puede fluir en direcciones opuestas. En algunas modalidades, se puede confinar un túnel de aire a un nivel individual. En otras modalidades, se pueden proporcionar pasajes que pueden permitir que se proporcione un túnel de aire sobre múltiples niveles de las pilas. Se puede utilizar cualquier combinación de estas configuraciones.
Una pila o una serie de pilas se pueden er utilizar en varias configuraciones e instalar en varios alojamientos. Por ejemplo, puede variar la altura de la pila. De manera similar, el número de celdas proporcionadas por nivel de una pila puede variar. En algunas modalidades, puede ser el tamaño o forma de las celdas individuales, en tanto que en otras modalidades, puede variar el tamaño o forma de las celdas individuales. Los tamaños de alojamiento puede variar dependiendo del tamaño de las pilas. Por ejemplo, un sistema de almacenamiento total de energía puede tener una o más dimensiones (por ejemplo, altura, ancho, longitud) en el orden de pulgadas (centímetros) , pies (metros) , decenas, de pies, o cientos de pies. Cada dimensión puede estar dentro del mismo orden de magnitud, o puede estar dentro de órdenes variables de magnitud.
Una pila o serie de pilas se puede configurar como un sistema de celda de combustible mediante el intercambio o reabastecimiento de electrolitos, y el empaque de estos sistemas de soporte. Por ejemplo, un sistema de celda de combustible de zinc-aire puede incluir la adición de metales zinc y la remoción de óxido de zinc. Como se menciona anteriormente, se pueden adicionar granulos de zinc al electrolito. Se puede remover óxido de zinc o cloruro de zinc de un tanque de residuos.
H. Utilización máquina HVAC y recipiente aislado de carga La Figura 8A muestra un ejemplo de la utilización de una máquina HVAC recipiente de carga aislado para una pila de baterías de acuerdo con una modalidad de la invención. Se puede proporcionar una pluralidad de módulos 800a, 800b, 800c dentro de un alojamiento 802. Cada módulo puede tener una bandeja superior 804, una o más pilas de celdas (que pueden incluir uno o más niveles/capas de celdas individuales, celdas de cuádrete, y/o cualquier número de celdas) 806, y una bandeja o zapata de fondo 808. Ver también Figura 8H. y cada pila de celdas puede tener un colector por el que se puede enviar o desconectar electrolito a una pila dada o sección de una pila. De manera similar, se pueden segregar y desconectar conexiones eléctricas a ciertas pilas.
En un ejemplo, se pueden proporcionar 16 módulos 800a, 800b, 800c de 960 celdas de cuádrete. Dos filas, cada una que tiene ocho módulos se puede proporcionar. En varias modalidades de la invención, se puede proporcionar cualquier número de módulos, incluyendo pero no limitado a uno o más, dos o más, tres o más, cuatro o más, cinco o más, seis o más, siete o más, ocho o más, nueve o más, diez o más, doce o más, quince o más, veinte o más, treinta o más, cincuenta o más, o cien o más módulos. En algunas modalidades, los módulos se pueden arreglar en una o más filas y y/o . en una o más columnas. En algunas modalidades, los módulos se pueden arreglar en un arreglo. Un alojamiento 802 se puede formar ajustar los módulos. En algunas modalidades, el alojamiento puede ser de aproximadamente 40, 45, 50 o 52 pies (12.992, 13.716, 15.24 o 15.8496 metros) de largo.
Un módulo puede tener cualquier dimensión. En algunas modalidades, un módulo puede ser de aproximadamente 50 pulgadas por 44 pulgadas (127 por 111.76 centímetros). En un ejemplo, un módulo puede comprender 80 o 120 o más pilas de 15 o más o menos celdas de cuádrete. Sin embargo, se puede formar un módulo de cualquier número de niveles/capas en pilas, incluyendo pero no limitado a l o más capas, 2 o más capas, 3 o más capas, 5 o más capas, 10 o más capas, 20 o más capas, 30 o más capas, 40 o más capas, 50 o más capas, 60 o más capas, 70 o más capas, 80 o más capas, 90 o más capas, 100 o más capas, 120 o más capas, 150 o más capas, o 200 o más capas. Cada capa de pila puede incluir cualquier número de celdas individuales o en cuádrete. Por ejemplo, cada nivel/capa de pila puede incluir 1 o más, 2 o más, 3 o más, 4 o más, 5 o más, 6 o más, 7 o más, 8 o más, 9 o más, 10 o más, 12 o más, 14 o más, 16 o más, 20 o más, 25 o más, 30 o más, 36 o más, 40 o más, 50 o más, o 60 o más celdas individuales o celdas en cuádrete por nivel/capa.
En algunas modalidades, un módulo puede incluir una bandeja superior 804. La bandeja superior se puede configurar para aceptar electrolito. En algunas modalidades, la bandeja superior se puede configurar para distribuir el electrolito a una o más celdas. La bandeja superior puede estar en comunicación para fluido con los sistemas de manejo de electrolito de las celdas. En algunas modalidades, la bandeja superior puede estar en comunicación para fluidos con una o más celdas. La bandeja superior puede incluir una o más salientes. La una o más salientes pueden proporcionar soporte estructural para una cubierta sobre la bandeja. La bandeja superior puede incluir uno o más canales o ranuras. En algunas modalidades, la bandeja superior puede incluir uno o más agujeros o pasajes que proporcionan comunicación para fluidos a las capas subyacentes.
Un módulo también puede incluir una bandeja o zapa de fondo 808. En algunas modalidades, la bandeja inferior o zapata de fondo puede colectar electrolito que puede derramarse las pilas por elevadas. La bandeja o zapata de fondo puede contener el electrolito recolectado o puede transferirlo a donde quiera.
Un diseño modular se puede elaborar para ajustarse en varios recipientes de carga de norma ISO de una manera optimizada. En algunas modalidades, un alojamiento puede ser un recipiente de carga ISO. El alojamiento puede tener una longitud de aproximadamente 20 pies (6.1 m) , 40 pies (12.2 m) , 45 pies (13.7 m) , 48 pies (14.6 m) , y 53 pies (16.2 m) . Un recipiente ISO puede tener un ancho de aproximadamente 8 pies (2.4384 m) . En algunas modalidades, un recipiente puede tener una altura de aproximadamente 9 pies 6 pulgadas (2.9 m) o 4 pies 3 pulgadas (1.3 m) o 8 pies 6 pulgadas (2.6 m) . Un diseño modular también se puede elaborar para ajustarse a cualesquier otro recipiente normal, tal como recipientes de transporte de aire. El diseño modular puede proporcionar flexibilidad para el sistema de almacenamiento de energía para ajustarse dentro de una estructura o recipiente preexistentes.
Un diseño modular, puede tomar ventaja de un equipo existente de refrigeración y manejo de aire unido a recipientes aislados tal como una solución de HVAC completa.
Se puede lograr' enfriamiento convencional al colocar apropiadamente desfogues de . enfriamiento en el exterior del encierro.
En algunas modalidades, un sistema de batería puede incluir uno o más módulos de batería, uno o más sistemas de manejo de electrolito, y uno o más montajes de enfriamiento de aire. En algunas modalidades, un módulo de batería puede incluir una bandeja superior, una bandeja de fondo, y una o más pilas de celdas. En algunas modalidades, una pila de celdas puede incluir una o más capas o niveles de celdas. En algunas modalidades, uno o más niveles o capas de celdas pueden incluir una celda individual, un cuádrete de celdas, una pluralidad de celdas, o una pluralidad de cuadretes de celdas. Por ejemplo, se puede hacer una capa de un arreglo mxn de celdas con un arreglo mxn de cuadretes, donde m y/o n se pueden seleccionar de cualquier número entero mayor que o igual a 1, incluyendo pero no limitado a 1, 2, 3 , 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, o más. Cada módulo puede incorporar una o más parte de un sistema de manejo de electrolito. En algunas modalidades, cada cuádrete puede compartir una o más partes de un sistema de manejo de electrolito.
En algunas modalidades, un módulo puede ser un módulo de 50 kW/300 kWh. En otras modalidades, un módulo puede tener cualquier otra energía/potencia. Por ejemplo, un módulo puede proporcionar 10 kW o más, 20 kW o más, 30 kW o más, 50 kW o más, 70 kW o más, 100 kW o más, 200 kW o más, 300 kW o más, o 500 kW más de 750 kW o más, 1 M o más, 2 MW o más, 3 MW o más, 5 MW o más, 10 MW o más, 20 o más, 50 MW o más, 100 MW o más, 200 MW o más, 500 MW o más, o 1000 MW 0 más. Un módulo también puede proporcionar 50 kWh o más, 100 kWh o más, kWh 200 o más, 250 kWh o más, en kWh 300 o más, 350 kWh o más, 400 kWh o más, 500 kWh o más, 700 kWh o más , 1 MWh o más, 1,5 MWh o más, MWh 2 o más, 3 o más MWh, MWh 5 o más, MWh 10 o más, 20 MWh o más, 50 MWh o más, MWh 100 o más, 200 o más MWh , 500 MWh o más, o más MWh 1000, 2000 MWh o más, o 5000 MWh o más.
La Figura 8?· muestra porciones de fondo de módulos de batería de acuerdo con una modalidad de la invención. Las porciones de fondo pueden incluir una o más pilas 820, que pueden incluir una o más capas/niveles 836 de celdas. El módulo de batería puede incluir un soporte de pila de batería 824 por debajo de las capas de celdas. El soporte de pila puede soportar la pila por abajo un tanque inferior 822. El tanque inferior se puede configurar para contener electrolito que puede fluir desde las pilas. El soporte de pilas se puede configurar para impedir que el electrolito haga contacto con el fondo de las pilas, tal como un electrodo de aire en el fondo de la pila. En otras modalidades, el soporte de pila puede permitir que el electrolito haga contacto con el fondo de la pila pero puede proporcionar soporte para mantener el soporte de pila suspendido sobre porciones del tanque inferior.
En algunas modalidades, el tanque inferior de almacenamiento de electrolito que se puede termoformar, puede recibir derrame de electrolito y ayudar a hacer circular el electrolito dentro del sistema de batería. Por ejemplo, el tanque inferior puede dirigir el electrolito a un tanque de prueba y luego a un tanque superior, que puede distribuir electrolito a una o más pilas. El tanque inferior se puede conectar para fluidos a uno o más miembros de distribución de fluido 826 que puede incluir tubos, canales, o cualquier otro pasaje para distribuir fluido conocido en la técnica.
Una pila 820 dentro de un módulo de batería puede incluir una o más capas o niveles 836. Una capa o nivel puede incluir un armazón 830. El armazón se puede moldear por inyección o formar de cualquier otra manera. En algunas modalidades, un armazón individual integralmente formado se puede proporcionarse por capa o nivel. En otras modalidades, se pueden proporcionar múltiples armazones o porciones separadas de armazones por capa o nivel. En algunas modalidades, un armazón puede incluir una porción de un sistema de manejo de electrolito 832. El sistema de manejo de electrolito se puede formar de manera integral dentro del armazón. Cuando las capas de los armazones se apilan verticalmente , las porciones del sistema de manejo de electrolito se pueden llegar a alinear verticalmente y permitir que el electrolito se distribuya a las celdas 834 dentro de las capas .
Una celda 834 se puede formar como circunda por un armazón 830 y se soporta por un electrodo 828. En modalidades preferibles, la superficie del electrodo que forma la porción de fondo de la celda puede ser un electrodo de metal. El electrolito puede fluir hacia a la celda y estar soportado por el electrodo y contenido por el armazón. Cualquier derrame del electrolito puede fluir al sistema de manejo de electrolito 832 y se puede distribuir a una celda subyacente, o puede fluir en su totalidad al tanque inferior 822.
La Figura 8C muestra una pluralidad de módulos de batería en un sistema de batería. En algunas modalidades, un sistema de batería puede incluir un alojamiento que puede incluir un piso 840 o base o una o más paredes 842 o cubiertas. Como se menciona previamente, en algunas modalidades, un alojamiento puede ser un recipiente normal, tal como un recipiente de envío.
Un sistema de batería puede incluir un sistema de manejo de electrolito. En algunas modalidades, un sistema de manejo de electrolito puede incluir uno o más tanques 844a, 844b que puede ayudar con la circulación de electrolito dentro del sistema o suministro inverso de agua para asegurar mezcla consistente de electrolito cuando se presenta la evaporación. Estos tanques pueden ayudar ya sea con la filtración del electrolito dentro del sistema o ayudar en la provisión de aditivos al electrolito dentro del sistema. En algunas modalidades, una o más bombas, válvulas, o diferenciales de presión tal como una fuente de presión positiva, o fuente de presión negativa se puede usar dentro del sistema de electrolito, ayudando de este modo a la circulación del electrolito. En algunas modalidades, el tanque puede tener una entrada y/o salida del sistema. La entrada y/o salida se puede usar remover material residual o filtrado, proporcionar aditivos, desfogar gases o exceso de fluido, o proporcionar fluido fresco en el sistema. En algunas modalidades, se pueden proporcionar uno o más miembros conductores de electrolito 846 dentro del sistema de batería. El sistema conductor de electrolito puede ser un tubo, canal, o cualquier otro montaje capaz de transportar fluido desde el tanque a tanques superiores de pilas directamente o mediante un colector. Los miembros conductores de electrolito pueden transferir electrolito desde un tanque 844a, 844b a uno o más módulos 850. En algunas modalidades, se puede transferir el electrolito a una bandeja superior o tanque del módulo. En algunas modalidades, los miembros conductores de electrolito se pueden usar para transferir electrolito de un módulo a un tanque 844a, 844b. El miembro conductor de electrolito puede transferir electrolito de una bandeja de fondo o tanque de un módulo a un tanque 844a, 844b.
El sistema de batería puede incluir un montaje de flujo de aire. El montaje de flujo de aire puede hacer que se haga circular aire dentro del sistema de batería. En algunas modalidades, el montaje de flujo de aire puede hacer que el aire fluya dentro de los módulos. En algunas modalidades, el montaje de flujo de aire puede hacer que el aire fluya en túneles de aire entre las celdas. En algunas modalidades, se pueden proporcionar uno o más túneles de aire entre cada capa de una pila. En algunas modalidades, los túneles de flujo de aire pueden estar horizontalmente orientados. En algunas modalidades, los túneles de flujo de aire puede estar orientados de forma sustancialmente horizontal y/o pueden tener una ligera inclinación (por ejemplo, de 1 a 5 grados) . Un montaje de flujo de aire puede incluir un ventilador, bomba, diferencial de presión tal como una fuente de presión positiva o fuente de presión negativa, o cualquier otro montaje que pueda provocar que el aire fluya. En algunas modalidades, un montaje de flujo de aire puede hacer que el aire fluya dentro de túneles de uno o más módulos. En algunas modalidades, el aire puede fluir entre túneles de diferentes módulos. Se pueden configurar celdas de moto que los túneles de aire se puede conformar continuamente entre celdas adyacentes y/o módulos adyacentes. En otras modalidades, pueden presentarse interrupciones en el túnel entre celdas y/o entre los módulos.
En algunas modalidades, el sistema de batería también puede incluir uno o más bancos de inversores 848. El banco de inversores puede convertir energía de CD a CA.
La Figura 8D muestra una vista superior de un sistema de batería que incluye una pluralidad de módulos de batería. Como se describe previamente, se puede proporcionar un alojamiento para el sistema de batería. El alojamiento puede incluir un piso 860 y/o una cubierta o puerta 862 que puede incluir paredes o techo. Se pueden proporcionar uno o más tanques 864 o miembros conductores de electrolito 866, tal como tubería. El miembro conductor de electrolito puede conectar para fluidos el tanque con uno o más módulos 870. En algunas modalidades, cada módulo se puede conectar de manera directamente para fluidos al tanque mediante el miembro conductor de electrolito. En algunas modalidades diferentes, se pueden conectar indirectamente uno o más módulos al tanque mediante otros módulos. En algunas modalidades, un miembro conductor de electrolito se puede conectar a uno o más módulos en la parte superior del módulo. El miembro conductor de electrolito se puede configurar para proporcionar electrolito a una bandeja superior de uno o más módulos.
Cualquier número de módulos 870 se puede proporcionar dentro de un sistema de batería. Por ejemplo, dentro de un sistema de batería se pueden proporcionar uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez, once, doce, trece, catorce, quince, dieciséis, diecisiete, dieciocho, diecinueve, veinte, veintiuno, veintidós, veintitrés, veinticuatro, veinticinco, veintiséis, veintisiete, veintiocho, veintinueve, treinta o más módulos. En algunas modalidades, un sistema de batería puede ser un recipiente de almacenamiento de energía de 6 horas de IMW. En otras modalidades, el sistema de batería puede ser un sistema de 100 kW, 200 kW, 300 kW, 500 kW, 700 kW, 1 MW, 2 MW, 3 MW, 5 MW, 7 MW, 10 MW, 15 MW, 20 MW, 30 MW o más. En algunas modalidades, el sistema de batería puede ser un sistema de 1 hora, 2 horas, 3 horas, 4 horas, 5 horas, 6 horas, 7 horas, 8 horas, 9 horas, 10 horas, 11 horas, 12 horas, 13 horas, 14 horas, 15 horas o más.
En algunas modalidades, para un módulo normal, una o más de las siguientes características pueden aplicar: el sistema puede tener características tal como 5Ó0k-2 MW, 2-12 MWH, y se anticipa que el sistema tendrá un bajo costo. Estas características se proporcionan solo a manera de ejemplo y no limitan la invención.
Los módulos pueden tener cualquier configuración dentro del sistema de batería. Por ejemplo, se pueden proporcionar una o más filas y/o columnas de módulos . En algunas modalidades, un arreglo de módulo se puede proporcionar. Por ejemplo, se pueden proporcionar dos filas de 12 módulos cada una.
En algunas modalidades, un miembro conductor de electrolito puede ser un tubo que puede pasar sobre cada módulo. En algunas modalidades, el tubo puede comunicarse para fluidos con cada módulo en la parte superior del módulo. El tubo puede transferir electrolito a la bandeja superior de cada módulo. En algunas modalidades, el tubo puede pasar como un tubo recto sobre una primera fila de módulos, luego puede doblarse y girar alrededor y pasar como un tubo recto sobre una segunda fila de módulos. De manera alternativa, el tubo puede tener cualquier otra dobles o configuración de zig-zag.
En algunas modalidades, el sistema de batería también puede incluir uno o más bancos de inversores 868. El banco de inversores puede convertir energía de CD a CA.
La Figura 8E muestra un ejemplo de un sistema de batería que incluye un montaje de flujo de aire. Un montaje de batería puede tener un recipiente con un extremo frontal y un extremo posterior. En algunas modalidades, el recipiente se puede aislar térmicamente y/o aislar eléctricamente. En algunas modalidades, el recipiente puede ser un recipiente normal, tal como aquellos previamente descritos, o un recipiente de cámara. En algunas modalidades, el recipiente puede ser de aproximadamente 40 pies (12.20 m) de largo.
Uno o más módulos pueden estar contenidos dentro del recipiente. En algunas modalidades, se pueden proporcionar hasta 36 módulos dentro del recipiente. Los módulos se pueden colocar en el recipiente de modo que se proporcionen dos filas de módulos, cada fila que tiene 12 módulos. De esta manera, un sistema de batería puede tener un arreglo que es de 12 módulos de profundidad por 2 módulos de ancho. En algunas modalidades, se pueden proporcionar por módulo 1800 celdas por cuádrete. Un módulo puede ser de 120 celdas de alto (por ejemplo, que tiene 120 capas o niveles) y puede tener 15 celdas de cuádrete por capa o nivel. En algunas modalidades, un sistema de batería puede tener un total de aproximadamente 50,000 celdas de cuádrete.
La Figura 8E proporciona un ejemplo de un montaje de flujo de aire. Se puede proporcionar un montaje de flujo de aire dentro de un recipiente. El piso del recipiente A pueden incluir barras en t, ranuras, canales, salientes, rebordes, u otras formas. Un colector inferior de flujo de aire B se puede proporcionar o se puede utilizar piso en T en algunos recipientes de cámara. En algunas modalidades, el aire en el colector inferior puede fluir lateralmente. En algunas modalidades, el aire puede fluir hacia un pasillo central C del montaje de flujo de aire. En algunas modalidades, el aire puede subir en el pasillo central. Se pueden proporcionar uno o más túneles de aire D para uno o más módulos. El túnel de aire puede tener una orientación horizontal. Los túneles de aire se pueden proporcionar como parte de centrodos de celdas. El aire puede fluir del pasillo central, en uno o más túneles de aire, que canalizan el aire lateralmente entre celdas.
De un túnel de aire D, el aire puede fluir lateralmente a un pasillo periférico E. Se pueden proporcionar uno o más pasillos periféricos. En algunas modalidades, se pueden proporcionar dos pasillos periféricos E, F. El aire puede subir a lo largo de los pasillos periféricos. Se puede proporcionar un pasillo periférico entre un módulo K y una pared de recipiente I. En algunas modalidades de sistema de ventilador o circulación de aire o expulsión de aire, se puede proporcionar un colector superior de aire H con un forro de colector superior de aire G. El colector superior de aire puede recibir aire de los pasillos periféricos. En algunas modalidades, se puede proporcionar un bloqueador J para impedir que el suba desde el pasillo central directamente al colector superior de aire. Esto puede forzar algo del aire a fluir a los túneles de aire. En modalidades alternativas, algo del aire puede subir desde el pasillo central al colector superior. En algunas modalidades, el aire puede fluir a lo largo del colector superior de aire. Por ejemplo> el aire puede fluir desde un lado del recipiente con el área de utilidad al otro extremo del recipiente.
La Figura 8F proporciona una vista adicional de un montaje de flujo de aire. Un montaje de flujo de aire se puede proporcionar dentro de un recipiente. El piso del recipiente A pueden incluir barras en T, ranuras, canales, salientes, rebordes, u otras formas. El aire puede fluir a lo largo de los espacios proporcionados en el piso, entre las características del piso. Se puede proporcionar un túnel o pasaje inferior de flujo de aire B. En algunas modalidades, el aire en el pasillo inferior puede fluir lateralmente. En algunas modalidades, el aire puede fluir hacia un pasillo central C del montaje de flujo de aire. En algunas modalidades, el' aire puede subir al pasillo central. Se pueden proporcionar uno o más túneles de aire D para uno o más módulos. El túnel de aire puede tener una orientación horizontal. Los túneles de aire se pueden proporcionar como parte de centrodos de celdas. El aire puede fluir desde el pasillo central, hacia uno o más túneles de aire que canalizan el aire lateralmente entre las celdas.
De un túnel de aire D, el aire puede fluir lateralmente a un pasillo periférico E. Se pueden proporcionar uno o más pasillos periféricos. En algunas modalidades, se pueden proporcionar dos pasillos periféricos. El aire puede subir a lo largo de los pasillos periféricos. Se puede proporcionar un pasillo periférico entre un módulo y una pared de recipiente I. En algunas modalidades, se puede proporcionar un colector superior de aire J con forro de colector superior de aire. El colector superior de aire puede recibir aire de los pasillos periféricos. En algunas modalidades, se puede proporcionar un bloqueador H para impedir que el aire suba del pasillo periférico directamente al colector superior de aire. Esto puede forzar algo del aire a fluir a los túneles de aire. En modalidades alternativas, algo del aire puede subir del pasillo central al colector superior. En algunas modalidades, el aire puede fluir a lo largo del colector superior de aire. Por ejemplo, el aire puede fluir de un lado del recipiente con el área de utilidad al otro lado del recipiente.
Se puede proporcionar un tanque superior de suministro de electrolito G como parte de un módulo. Un tanque inferior de recepción de electrolito F también se puede proporcionar como parte del módulo. En algunas modalidades, el recipiente I puede descansar en una superficie K.
En algunas modalidades, el aire de suministro puede ser aire proporcionado a través del piso y el colector inferior. El aire de suministro entonces puede subir a través del pasillo central y fluir a través de los túneles de aire. El aire de retorno puede ir directamente a través de los pasillos periféricos y fluir a través del colector, superior. En modalidades alternativas de la invención, el aire puede fluir en otras direcciones (por ejemplo, se puede suministrar del colector superior y puede fluir a través de túneles de aire en direcciones opuestas.
La Figura 8G muestra un ejemplo alternativo de una configuración de flujo de aire. En algunas modalidades, el aire puede fluir a lo largo del recipiente y no necesita dividirse lateralmente. El aire puede hacerse circular o no de regreso a lo largo del recipiente.
En algunas modalidades', los módulos se pueden colocar en el piso del recipiente. En algunas modalidades, el piso del recipiente puede tener una barra en T de piso. En algunas modalidades, el piso puede tener una o más ranuras, canales, aberturas, salientes, o dobleces que pueden soportar los módulos en tanto que se proporciona espacio por abajo de los módulos. En algunas modalidades, el aire puede fluir dentro del espacio por debajo de los módulos. Esto puede ayudar con la regulación de la temperatura.
En algunas modalidades, se puede proporcionar un área de utilidad dentro del recipiente y adyacente a los módulos. Por ejemplo, se pueden colocar módulos dentro de un recipiente para proporcionar un área de utilidad de 6 por 7 pies (1.83 por 2.13 m) . En algunas modalidades, un usuario puede ser capaz de tener acceso al área de utilidad. El usuario puede ser capaz de entrar al recipiente en el área de utilidad. En algunas modalidades, el área de utilidad se puede proporcionar en el extremo trasero del recipiente.
En algunas modalidades, se puede proporcionar una cámara dentro un recipiente. La cámara puede sobresalir de una pared del recipiente en el extremo frontal. La cámara puede estar curveada y puede encontrar un módulo aproximadamente a medio camino. En algunas modalidades, se puede proporcionar un suministro de aire en una porción de la cámara, y se puede proporcionar una toma de aire en la otra porción de la cámara. Por ejemplo, se puede proporcionar un suministro de aire en la parte inferior de la cámara, y se puede proporcionar una toma de aire en una porción superior de la cámara, o viceversa. En algunas modalidades, el suministro de aire puede incluir aire tratado, frío. El suministro de aire puede fluir en una primera dirección horizontal a través de los módulos provistos en el lado de suministro de la cámara. Por ejemplo, si el suministro de aire se proporciona en la parte inferior de la cámara, el aire puede fluir en la primera dirección horizontalmente a través de la mitad inferior de los módulos. El aire puede fluir a través de uno o más túneles de aire de los módulos .
- Cuando el aire alcanza el área de utilidad en el otro extremo del recipiente, el aire puede viajar a la otra porción de los módulos. Por ejemplo, el aire puede subir a la mitad superior de los módulos y fluir en una segunda dirección de regreso hacia la parte superior de la cámara. En algunas modalidades, la segunda dirección puede estar horizontal y/o puede estar opuesta a la primera dirección. El aire puede alcanzar la toma de aire de retorno en la porción superior de la cámara. La cámara se puede proporcionar en un extremo frontal del recipiente. De manera alternativa, el aire no necesita circular de regreso y se puede aceptar por una toma en el lado del área de utilidad del recipiente. El lado del área de utilidad del recipiente se puede proporcionar o no con un segundo suministro de aire que puede fluir de regreso al primer suministro de aire. También se puede proporcionar una unidad portadora en el extremo frontal del recipiente. La unidad portadora puede aceptar la toma de aire y puede enfriarla, puede variar y/o mantener la temperatura del aire, puede filtrar el aire, y/o puede variar o mantener la composición del aire.
Equilibrio de configuraciones de planta A. Sistemas de tratamiento y circulación de electrolito Como se describe previamente y se muestra en la Figura 4A, se puede proporcionar un sistema de tratamiento y circulación de electrolito, que consiste de varios componentes. En algunas modalidades, se puede proporcionar un equilibrio separado de la planta (sistema de manejo de aire y agua/electrolito) . El sistema de tratamiento y circulación de electrolito puede incluir uno o más de lo siguiente: - Un dispositivo para desionizar y filtrar agua de suministro antes de entrar al sistema.
- Un tanque de producto químico para introducir y mezclar varias sales y otras productos químicas con el agua desionizada. Esto puede formar al menos una porción del electrolito.
- Un tanque o una serie de tanques que miden y tratan el electrolito de la batería.
- Una bomba o serie de bombas que distribuyen el electrolito a todo lo largo del sistema déla batería.
Varios sensores que miden y monitorizan el volumen total de electrolito, la densidad, temperatura, niveles de pH u otras medidas de la operación del sistema.
- Líneas de suministro y de retorno que distribuyen el electrolito líquido hacia y desde la batería.
Varios sensores y válvulas para controlar el flujo de electrolito líquido y para controlar conexiones eléctricas de una caja de control.
La Figura 8H proporciona un ejemplo de un sistema de batería dentro de un recipiente. Se puede proporcionar uno o más tanques (por ejemplo, tanque de tratamiento/retención, tanque de electrolito) y se pueden conectar a uno o más módulos mediante válvulas y conectadores de fluido. Por ejemplo, se puede proporcionar el electrolito a través de un colector, y luego se divide individualmente en conectadores separados para fluidos que transfieren el electrolito a cada uno de los módulos dentro del sistema. Por ejemplo, cada tanque superior de un módulo dentro del sistema puede estar en comunicación para fluidos con el colector y puede recibir el fluido de esto. En algunas modalidades, se pueden proporcionar una o más interfaces de usuario.
En algunas modalidades, se puede proporcionar una división hermética a aire entre los módulos y el resto del recipiente. Por ejemplo, se puede proporcionar una área de servicio o utilidad a la cual puede tener acceso un operador u otro usuario. Por ejemplo, se puede proporcionar un pasillo de servicio donde puede entrar un operador u otro usuario. En algunas modalidades, el área de servicio o utilidad puede incluir los tanques, interfaz de usuario, o controles electrónicos. En un ejemplo, la división hermética a aire puede separar el área de servicio o utilidad de los módulos. B. Sistemas de acondicionamiento y circulación de aire La Figura 8A muestra un ejemplo de la utilización de una máquina de HVAC y recipiente aislado de carga de acuerdo con una modalidad de la invención. El sistema de almacenamiento de energía . puede incluir un sistema de acondicionamiento y circulación de aire que consiste de varios componentes. La Figura 8E proporciona un ejemplo de un sistema de circulación de aire.
Se puede proporcionar una serie de cámaras de flujo de aire para controlar y distribuir el flujo de aire de manera uniforme entre las celdas . El enfriamiento con aire forzado puede ser más efectivo que la convección especialmente cuando se acopla con buenos disipadores térmicos internos y diseños de encierro tipo cámara. Se puede remover aire calentado de los encierros del equipo por ventiladores o sopladores que también pueden extraer aire más frío en el encierro a través de desfogues . Dependiendo de los requisitos de enfriamiento, se pueden mover bajos o altos volúmenes de aire a través del encierro.
En algunas modalidades, se pueden proporcionar uno o más sensores de temperatura. En base a la temperatura detectada por el sensor de temperatura, los ventiladores o sopladores se pueden variar y/o mantener para controlar la velocidad de flujo de aire. Se puede proporcionar un sistema de ventilador que fuerza el aire a través de la batería.
El sistema puede incluir un sistema de filtración y reposición de aire fresco para introducir oxígeno en tanto que se filtran los contaminantes indeseados. En algunas modalidades, puede ser deseable tener mayor contenido de oxígeno que el aire ambiente .
Se puede proporcionar un sistema de HVAC que mida y controle la temperatura de aire dentro del alojamiento de batería.
El sistema también puede incluir un sistema de control de humedad que humidifica o deshumidifica aire dentro del alojamiento de batería. Se pueden proporcionar uno o más sensores de humedad. El · sistema de control de humedad puede variar y/o mantener la humedad del aire en base a mediciones de los sensores de humedad.
En algunas modalidades, se puede proporcionar una serie de sensores que se comunican con varios sistemas diferentes.
C. Manejo y conectividad eléctrica Se puede proporcionar un sistema eléctrico que facilite el flujo de energía dentro de la batería, y distribuya la energía entre la batería y la red de energía eléctrica u otra fuente de energía. En algunas modalidades, el sistema eléctrico puede determinar si se proporciona un flujo de energía o potencia entre la batería y la red de energía eléctrica u otra fuente o disipador de energía. El sistema eléctrico puede determinar la dirección y/o cantidad de flujo de energía entre la batería y la fuente o disipador de energía.
D. Sistema de medición y Control Un sistema de medición centralizado puede estar comprendido de varios sensores que se enlazan a un sistema de control computarizado. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede incluir uno o más procesadores y memoria. El sistema de control computarizado puede colectar las mediciones otorgadas de los varios sensores. El sistema de control computarizado puede realizar no o más cálculos en base a las mediciones. Se puede implementar cualquier algoritmo, cálculo u otros pasos usando medios tangibles leíbles por computadora que pueden incluir instrucciones lógicas de código para realizar estos pasos. Estos medios leíbles por computadora se pueden almacenar en memoria. Uno o • más procesadores pueden tener acceso a esta memoria e implementar en la misma los pasos .
Se puede enlazar un sistema de control computarizado a varios sistemas mecánicos diferentes. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede instruir a uno o más sistemas mecánicos para realizar una acción. Por ejemplo, el sistema de control computarizado puede instruir a una bomba para bombear un mayor volumen de electrolito en una bandeja superior. El sistema de control computarizado puede instruir a una o más válvulas, lo que puede afectar la distribución del electrolito entre la pluralidad de módulos. En otro ejemplo, el sistema de control computarizado puede hacer que un ventilador sople a una menor velocidad. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede emitir una o más instrucciones en base a mediciones recibidas de uno o más sensores. Se pueden proporcionar algunas instrucciones por un controlador mediante una conexión alámbrica o de forma inalámbrica.
Un sistema de control computarizado se puede enlazar a redes de comunicación celular y/o telefónica. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede incluir un dispositivo de procesamiento, tal como una computadora. Cualquier análisis de un dispositivo de procesamiento, o cualquier tipo específico de dispositivo de procesamiento puede incluir, pero no se limita a, una computadora personal, computadora de servidor, o computadora portátil; asistentes digitales personales (PDA) tal como dispositivo a base de Palm o dispositivo de Windows; teléfonos tal como teléfonos celulares o teléfonos portátiles que reconocen la ubicación (tal como GPS) ; un dispositivo de itinerancia, tal como un dispositivo de itinerancia conectado a red; un dispositivo inalámbrico tal como un dispositivo inalámbrico de correo electrónico u otro dispositivo capaz de comunicarse inalámbricamente con una red de computadoras; o cualquier otro tipo de dispositivos de red que pueda comunicarse sobre una red y maneje transacciones electrónicas. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede incluir múltiples dispositivos. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede incluir una arquitectura de clientetservidor . En algunas modalidades, los' dispositivos de procesamiento se pueden programar especialmente para realizar uno o más pasos o cálculos o para realizar cualquier algoritmo. Un sistema de control computarizado puede comunicarse sobre cualquier red, incluyendo pero no limitado a, redes de comunicación celular, otras redes telefónicas, red de área local (LAN, por sus siglas en inglés) , una red de área amplia (tal como la Internet) . Se puede proporcionar cualquier comunicación a través de una conexión alámbrica y/o una conexión inalámbrica.
En algunas modalidades, un usuario puede interactuar con el sistema de control computarizado . El usuario puede estar lejos del sistema de computarizado, y puede comunicarse con el sistema de control computarizado sobre una red. De manera alternativa, el usuario se puede conectar localmente a una interfaz de usuario del sistema de control computarizado.
E. Configuraciones de alojamiento e instalación ambiental En general, las baterías modulares y sus sistemas no se limitan por tamaño, volumen o escala. Los gabinetes industriales comunes, recipientes, construcciones y otras estructuras se pueden configurar para alojar la baterxa y sus sistemas.
La batería y sus sistemas de soport se pueden configurar para configuraciones móviles y estacionarias. Por ejemplo, la batería y sus sistemas de soporte se pueden proporcionar en construcciones, recipientes de envío, recipientes y automóviles, a manera de ejemplo.
Configuración de Celda de Combustible De acuerdo con algunas modalidades de la invención, el sistema de almacenamiento de energía descrito en otra parte se puede utilizar en una configuración de celda de combustible. En una configuración de celda de combustible, cada celda se puede soportar por válvulas de salida de drenaje y de entrada de suministro para la transferencia o transfusión de electrolito. En algunas modalidades, puede utilizar el sistema de transferencia de electrolito de una batería de flujo basado en gravedad. Por ejemplo, se puede proporcionar una entrada de suministro por arriba de una celda y se puede proporcionar una salida de drenaje por abajo de la celda. En otra modalidad, se pueden soportar grupos de celdas (tal como cuadretes o capas) por una entrada de suministro y salida de drenaje.
Una configuración de celda de combustible puede proporcionar mecanismos que remuevan el electrolito agotado y adicionen electrolito fresco mediante un orificio de transferencia o transfusión remota y conveniente.
Escenarios de Adaptación y Adopción en el Mercado Un sistema de almacenamiento de energía, que puede incluir las modalidades analizadas en otra parte de la presente, se puede usar de manera ventajosa con generadores de energía verde. Los ejemplos de generadores de energía verde pueden incluir campos éólicos, campos solares, o campos de marea. Un sistema de almacenamiento de energía también se puede usar con los generadores tradicionales de energía, tal como generadores de vapor de combustible fósil o generadores nucleares. En algunas modalidades, un sistema de almacenamiento y energía puede almacenar energía de un generador. En otras modalidades, puede ser capaz de implementar o cambiar la anergia producida por un generador.
Se puede usar un sistema de almacenamiento de energía en la distribución de energía. Por ejemplo, se puede usar con empresas regionales de servicios eléctricos, empresas locales de servicios eléctricos, almacenamiento remoto, y almacenamiento móvil.
Un sistema de almacenamiento de energía también puede tener aplicaciones en el almacenamiento, manejo y respaldo de energía. Por ejemplo, el almacenamiento de energía se puede usar para aplicaciones gubernamentales y militares, aplicaciones comerciales e industriales, aplicaciones institucionales y comunitarias, aplicaciones residenciales y personales (celda de combustible o batería) . En algunas modalidades, la energía en exceso se puede almacenar en un sistema de almacenamiento de energía y usar cuando se necesite. El sistema de almacenamiento de energía puede ser denso en energía para que se coloque en subestaciones suburbanas p bases urbanas.
Las aplicaciones de transporte se pueden proporcionar para el sistema de almacenamiento de energía. Por ejemplo, el sistema de almacenamiento de energía se puede usar para energizar locomotoras y trenes. El sistema de almacenamiento de energía también se puede usar para envío de carga (por tierra o por agua) . El sistema de almacenamiento de energí también se puede usar para tránsito masivo y transporte en autobús. Por ejemplo, el sistema de almacenamiento de energía se puede proporcionar como una celda de combustible o batería en el vehículo de tránsito masivo. De manera similar, el sistema de almacenamiento de energía puede tener aplicaciones automotrices, y se puede proporcionar como una celda- de combustible o batería para un vehículo automotriz. De manera preferente, el sistema de almacenamiento de energía en un vehículo puede ser recargable .
Diseño de Celda en Pirámide, de Cuatro Lados, Aplanado, Compensa Cambios de Volúmenes de Electrolito En las celdas recargables de zinc-aire, los volúmenes de electrolito típicamente no permanecen constantes. Durante la descarga de la celda, conforme se convierte metal de zinc (con densidad relativamente alta) a especies de zinc de menor densidad, pueden incrementarse los volúmenes de electrolito. Durante la carga de la celda, se presenta la reacción inversa y pueden disminuir los volúmenes de electrolito. También pueden disminuir los volúmenes de electrolito debido a la evaporación de agua.
Estos cambios en los volúmenes de electrolito pueden afectar de manera adversa el desempeño de la celda. Si los volúmenes de electrolito llegan a ser demasiado bajos, puede haber insuficiente electrolito conductor entre el electrodo de metal y el electrodo de aire. Esto puede provocar un incremento en la resistencia de la celda que a su vez puede afectar de manera adversa el desempeño de la celda. De manera similar, si los volúmenes de electrolito se incrementan demasiado, se puede forzar el electrolito en exceso a los poros del electrodo de aire. El electrolito que penetra e inunda los poros del electrodo de aire impide que se difunda fácilmente el gas oxígeno (y se llegue a reducir electroquímicamente) dentro de los poros. Adicionalmente, el volumen incrementado de electrolito aplica presión en el electrodo de aire y puede provocar deterioro mecánico del electrodo. Esto provoca que se deteriore el desempeño de la celda .
El control de estos volúmenes constantemente cambiantes del electrolito en una pila de batería plenamente operante se puede lograr al tener un mecanismo de retroalimentación que puede compensar automáticamente los cambios en los volúmenes de electrolito. Cuando se necesita electrolito adicional por las celdas (por ejemplo, durante la carga de la celda cuando disminuyen los niveles de electrolito) se puede permitir que el electrolito gotee lentamente desde un depósito hacia celdas individuales. Durante la descarga de la celda, conforme se expande los volúmenes dé electrolito, el electrolito en exceso dentro de las celdas puede desviarse mediante un orificio de derrame a un depósito para almacenamiento.
Las modalidades previamente descritas pueden incluir un diseño horizontal de cuatro celdas que incorpora un orificio de relleno y un orificio de salida localizados en la unión donde se encuentran las celdas . horizontalmente colocadas. Este orificio hueco de relleno/salida puede permitir- que el electrolito gotee hacia y fuera de las celdas individuales conforme se necesite. Puesto que se apilan varios de estos montajes de cuatro celdas uno en la parte superior del otro, el orificio de relleno/salida del montaje superior de cuatro celdas se puede colocar exactamente por arriba del montaje inferior de cuatro celdas. De esta manera, varios montajes de cuatro celdas verticalmente apilados pueden compartir un orificio común de relleno/salida que está conectado a un depósito común.
Otro diseño horizontal de cuatro celdas se puede proporcionar de acuerdo con otra modalidad de la invención. El diseño horizontal puede comprender montar un montaje de cuatro celdas de modo que cada celda en este montaje esté ligeramente inclinada hacia arriba (en un lado solamente) hacia el orificio de relleno/salida. Esto puede compensar físicamente la emisión de gas al permitir que escape más fácilmente el gas.
La Figura 10 ilustra la vista superior (que mira hacia abajo) en cuatro celdas (Celda l, Celda 2, Celda 3, Celda 4) en un montaje horizontal. Las celdas se pueden colocar de modo que compartan un orificio común de relleno y salida (indicado por 0). La esquina de cada celda individual está ligeramente inclinada hacia arriba hacia la 0. De esta manera, la esquina de cada celda individual más lejos de la 0 se puede inclinar hacia abajo.
Otra manera para visualizar el diseño seria imaginár cuatro celdas individuales colocadas como una pirámide de cuatro lados (la parte superior de la pirámide sería el punto donde se encuentran las cuatro celdas) pero en lugar de una inclinación abrupta hacia arriba como en una pirámide típica, esta pirámide se aplanó hasta que los ángulos de inclinación solo fueron 1-5 grados de la horizontal. El ángulo de inclinación de cada celda individual en el montaje de cuatro celdas puede tener cualquier valor, incluyendo, pero no limitado a 0.25 grados o menos, 0.5 grados o menos, 0.75 grados o menos, 1 grados o menos, 2 grados o menos, 3 grados o menos 4 grados o menos, 5 grados o menos, 6 grados o menos, 7 grados o menos, o 10 grados o menos. De manera preferente, cada celda se puede inclinar en el mismo ángulo, en tanto que en .otras modalidades, las celdas individuales se pueden inclinar a varios ángulos. Este diseño de pirámide de cuatro lados, aplanado se propone que ayude al manejo de electrolito y a la emisión de gas durante los ciclos de carga/descarga.
Esto se muestra en la vista lateral de la Figura 11B. Aquí, cada una de las celdas 1150a, 1150b, 1150c en un montaje de pila se puede inclinar ligeramente hacia arriba desde la horizontal hacia el orificio de relleno. En algunas modalidades, se proporciona una inclinación de aproximadamente a 1.5 grados. Un tanque superior de agua 1152 puede tener uno o más tubos de drenaje 1154. Los tubos de drenaje pueden permitir que fluya una cantidad controlada de electrolito desde el . tanque superior de agua a las celdas abajo. En algunas modalidades, se pueden proporcionar tubos de drenaje con un diámetro interno de 3/4 de pulgada (1.91 cm) .
El diseño puede incluir uno o más separadores 1156 dentro de un colector 1158. Este colector puede proporcionar una separación entre el tanque superior de agua y las celdas subyacentes. En algunas modalidades, un separador puede ayudar a sostener la separación entre el tanque superior de agua y las celdas individuales. En algunas modalidades, el separador puede proporcionar soporte entre las celdas y el tanque superior de agua.
Una o más características de control de flujo 1166 pueden controlar la velocidad de flujo del electrolito que se proporciona de un tanque superior de agua a las celdas subyacentes. En algunas modalidades, la característica de control de flujo puede sobresalir o puede estar verticalmente alineada. La característica de control de flujo puede romper el electrolito en pequeñas gotas. En algunas modalidades, la característica de control de flujo puede impedir que se forme una conexión eléctrica entre el electrolito y el tanque superior de agua y el electrolito en cualquier celda subyacente individual. Una gota de una característica de control de flujo se puede capturar por una celda subyacente. En algunas modalidades, la celda subyacente pueden tener un orificio con una porción de derrame. Las características de control de flujo se pueden alinear verticalmente sobre la porción de derrame. Los orificios de las celdas verticalmente alineadas también se pueden alinear de manera vertical. En algunas modalidades, la gota puede fluir a la mezcla del electrolito 1160 de la celda. El electrolito de una celda superior puede fluir a una celda subyacente. En algunas modalidades, cada celda puede tener una característica de control de flujo de celda 1164 que también puede controlar el flujo de electrolito que se proporciona a la celda subyacente. La característica de control de flujo de celda puede romper el electrolito en gotas e impedir que se forme una conexión eléctrica entre el electrodo en la celda y el electrolito en la celda subyacente. En algunas modalidades, las características de control de flujo pueden ser una alineación vertical sustancial con las características de control de flujo de las celdas por arriba y/o por abajor. De manera alternativa, pueden tener una alineación escalonada u otra. Se pueden proporcionar una o más vías aéreas 1162 entre las celdas.
Como se analiza anteriormente, las celdas individuales se pueden inclinar de modo que la porción de una celda que recibe el electrolito se puede inclinar hacia arriba. El electrolito puede fluir desde la porción de la celda que recibe el electrolito hacia el otro extremo de la celda.
Una orientación ligeramente inclinada de la celda tiene varias ventajas distintas cuando la celda se monta en una pila. Una primera ventaja es que aún se mantiene una resistencia de celda constante reproducible entre el electrodo de metal y el electrodo de aire. Esto ayuda a mantener la resistencia del electrolito bajo control estricto.
Una segunda ventaja comprende manejar la formación de burbujas de gas. Durante los ciclos de carga de la celda, conforme se está reduciendo el agua, se generan necesariamente burbujas de gas oxígeno. Este diseño de electrodo inclinado puede permitir que estas burbujas de gas generadas migren fácilmente hacia la porción superior del electrodo, cerca de la esquina del electrodo donde se pueden desfogar de manera segura. Haciendo que las burbujas de gas migren fácilmente a un lado se elimina un problema potencial de resistencia incrementada de electrolito debido a las burbujas atrapadas de gas en el electrolito. Un diseño inclinado se puede poner ligeramente en ángulo para permitir el escape de gas y para facilitar el flujo de la suspensión espesa en una configuración de batería de flujo.
Una tercera ventaja es que durante los ciclos de carga (cuando se adiciona el electrolito desde él depósito a cada celda individual) , un diseño inclinado de celda permite que el electrolito adicionado entre fácilmente y rellene cada celda individual .
El ángulo de inclinación para cada celda no necesita ser grande. Es claro que si los ángulos de inclinación de las celdas individuales se hicieron más pronunciadas, el electrolito adicionado fluirá hacia el fondo de la celda e inundará la porción inferior de los electrodos de aire.
Un ángulo preferible de inclinación puede caer dentro del intervalo dé solo 1-5 grados de la horizontal. Esto puede ser suficientemente bajo- de modo que el electrolito no se recogerá sustancialmente en el fondo de cada celda, pero cualquier burbuja de gas generadas se desviará y subirá hacia la abertura superior del montaje y puede salir fácilmente.
La Figura 11A muestra un ejemplo de una vista superior de un sistema de almacenamiento de energía de acuerdo con una modalidad de la invención. En algunas modalidades, el sistema de almacenamiento de energía puede funcionar como una celda de flujo de paso. De manera alternativa, no necesita funcionar como una celda de flujo de paso. Un tanque superior de agua puede tener un piso 1100. Se puede proporcionar un tubo de drenaje 1102, que permite que el electrolito fluya a una o más celdas por abajo. En algunas modalidades, se pueden proporcionar una o más características de control de flujo 1104 para controlar la velocidad de flujo del electrolito que pasa a las celdas subyacentes. En algunas modalidades, la característica de control de flujo puede romper el electrolito en gotas. En algunas modalidades, se puede proporcionar una característica de control de flujo para cada celda subyacente. Por ejemplo, si cuatro celdas horizontalmente orientadas (que forman un cuádrete) están compartiendo un sistema común de manejo de electrolito, se pueden proporcionar cuatro características de control de flujo. Cada característica de control de flujo puede sobresalir sobre su celda correspondiente. Se puede proporcionar cualquier número de características de control de flujo, que pueden o no corresponder al número de celdas subyacentes en la capa directamente por abajo. Por ejemplo, se pueden proporcionar una, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nuevo, diez, o más características de control de flujo.
Una celda de cuádrete también puede tener una porción central que puede estar inclinada hacia abajo hacia una celda. Un electrolito que puede caer sobre la porción central puede fluir hacia abajo y una celda subyacente. En algunas modalidades, la parte central se puede moldear por inyecció .
Una o más características, rasgos, componentes, materiales o pasos conocidos en la técnica se pueden incorporar dentro de la invención, y viceversa. Ver, por ejemplo, Patente de los Estados Unidos No. 4, 168,349, Patente de los Estados Unidos No. 4,463,067, Patente de los Estados Unidos No. 5,126,218, Patente de los Estados Unidos No. 7,582,385, Patente de los Estados Unidos No. 7,314,685, Patente de los Estados Unidos No. 5,716,726, Patente de los Estados Unidos No. 4,842,963, Patente de los Estados Unidos No. 4,038,458, Patente de los Estados Unidos No. 5,242,763, Patente de los Estados Unidos No. 5,306,579, Patente de los Estados Unidos No. 6,235,418, Publicación de Patente de los Estados Unidos No. 2006/0141340, Publicación de Patente de los Estados Unidos No. 2008/0096061, Publicación PCT No. WO 2007/144357, que .se incorporan de este modo como referencia en su totalidad.
Ej emplo En un ejemplo, una celda de prueba puede haber sido proporcionada. La Figura 13 muestra un ejemplo del voltaje de celda con respecto al tiempo de prueba de acuerdo con una modalidad de la invención. Un tiempo de prueba de 350000 segundos se proporcionó para demostrar que el sistema trabaja.
Un intervalo de voltaje estable resultó con la celda de prueba temprana. No hubo degradación física en la versión temprana de la celda. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 13, el voltaje permaneció relativamente estable durante 350000 segundos. Para la mayor parte, el voltaje y sus ciclos entre 0.9 y 2.1 voltios.
Se debe entender de lo anterior que, en tanto que se han ilustrado e inscrito implementaciones particulares, se pueden hacer varias modificaciones a estas y se contemplan en la presente. Tampoco se propone que la invención se limite por los ejemplos específicos proporcionados dentro de la descripción. En tanto que la invención se ha descrito con referencia a la descripción mencionada anteriormente, las descripciones e ilustraciones de las modalidades preferibles en la presente no se proponen para que se consideren en un sentido limitante. Adicionalmente, se debe entender que todos los aspectos de la invención no se limitan a las representaciones, configuraciones o proporciones específicas relativas expuestas en la presente que dependen de una variedad de condiciones y variables. Las varias modificaciones en la forma y detalle de las modalidades de la invención serán evidentes para una persona experta en la técnica. Por lo tanto, se contempla que la invención también debe cubrir todas estas modificaciones, variaciones y equivalentes.
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro a partir de la presente descripción de la invención.

Claims (65)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :
1. Un sistema de celda de batería recargable de metal-aire, caracterizado porque comprende: un electrodo de metal; un electrodo de aire; y una solución acuosa de electrolito que tiene un pH en el intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10, en donde el sistema de celda de batería es capaz de al menos 500 ciclos de descarga y de recarga sin degradación física de los materiales ni degradación sustancial del desempeño del sistema de celda de batería.
2. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el electrolito es un electrolito a base de cloruro acuoso.
3. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el electrolito es una mezcla de sales solubles de cloruro que tienen un catión adecuado para producir una sal soluble de cloruro en un solución acuosa .
4. Un sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el electrolito es una mezcla de sales solubles a base de al menos uno de los siguientes: sulfatos, nitratos, carbonatos, hexafluorosilicatos, tetrafluoroboratos, metanosulfonatos , permanganato, hexafluorofosfatos, boratos, o fosfatos,
5. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el electrolito tiene un nivel de pH en el cual el C02 presente en el aire no se absorbe y por lo tanto no se forman carbonatos .
6. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un aditivo que mejora el depósito de zinc en el electrodo de metal en comparación a las celdas de batería tradicionales.
7. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el aditivo incluye al menos uno de lo siguiente: polietilenglicoles de varios pesos moleculares, o tiourea.
8. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un aditivo que impide la espumación y permite la liberación de gas.
9. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el aditivo incluye al menos uno de lo siguiente: simeticona, Dowex, aloe vera, u otros agentes tensioactivos .
10. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además un aditivo que impide la emisión de hidrógeno durante la carga.
11. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el aditivo incluye al menos uno de lo siguiente: sales de cloruro de alto sobrepotencial de hidrógeno tal como cloruro de estaño, cloruro de plomo, mercurocloruro, cloruro de cadmio o cloruro de bismuto.
12. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un aditivo que impide la emisión de cloro y/o hipoclorito durante la recarga.
13. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque, el aditivo incluye urea.
14. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un aditivo que controla la precipitación deseable.
15. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el aditivo incluye al menos uno de lo siguiente: benzoatos, yodatos, estearatos, o carbonatos.
16. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el electrodo de aire comprende manganeso.
17. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el electrodo de aire comprende al menos uno de: dióxido de manganeso o sal soluble de manganeso.
18. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el electrodo de aire comprende al menos uno de: cobalto o iridio.
19. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el electrodo de aire comprende al menos uno de: cloruro de cobalto, u óxido de iridio.
20. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la celda de batería se configura para experimentar una o más reacciones de electrodo que comprende adicionalmente uno de: urea o amoníaco.
21. El sistema de celda de batería de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la cela de batería se configura para experimentar una o más reacciones de electrodo que comprende adicionalmente al menos uno de: un cloro, hipoclorito o cloruro.
22. Un montaje de celda de batería, caracterizado porque comprende: una primera celda que tiene un primer electrodo de metal, un primer electrodo de aire, y electrolito entre estos; y una segunda celda que tiene un segundo electrodo de metal, un segundo electrodo de aire, y electrolito entre estos, en donde el primer electrodo de metal de la primera celda hace contacto con el segundo electrodo de aire de la segunda celda de modo que se forma un túnel de aire entre el primer electrodo de metal y el segundo electrodo de aire y en donde el primer electrodo de metal y el segundo electrodo de aire están alineados de una manera sustancialmente vertical y orientados horizontalmente.
23. El montaje de celda de batería de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque el primero y segundo electrodos de metal y el primero y segundo electrodos de aire están alojados en una orientación sustancialmente horizontal.
24. El montaje de celda de batería de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque el primer electrodo de metal hace contacto con el segundo electrodo de aire al fijarse a presión alrededor del segundo electrodo de aire, formando de este modo un centrodo.
25. El montaje de celda de batería de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el centrodo proporciona una conexión en serie entre la primera celda y la segunda celda.
26. El montaje de celda de batería de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque la primera celda, la segunda celda, y una o más celdas se apilan verticalmente y están orientadas horizontalmente, y se seleccionan para lograr un voltaje deseado.
27. El montaje de celda de batería de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque un gas horizontal fluye dentro del túnel de aire.
28. El montaje de celda de batería de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque además comprende: una tercera celda que tiene un tercer electrodo de metal, un tercer electrodo de aire, y electrolito entre estos; y una cuarta celda que tiene un cuarto electrodo de metal, un cuarto electrodo de aire y electrolito entre estos; en donde el. tercer electrodo de metal de la tercera celda se fija a presión alrededor del cuarto electrodo de aire de la cuarta celda de modo que se forma un túnel de aire entre el tercer electrodo de metal y el cuarto electrodo de aire formando de este modo un segundo centrodo, y en donde el segundo centrodo está en contacto eléctrico con el centrodo que proporciona una conexión entre la primera y segunda celda.
29. Un sistema de almacenamiento de energía, caracterizado porque comprende: un montaje de suministro de electrolito que tiene una característica de control de flujo configurada para distribuir un electrolito líquido a una celda subyacente de batería de metal-aire; y una o más celdas de batería de metal-aire que comprenden al menos un orificio de relleno o drenaje que tiene una porción de derrame; en donde la característica de control de flujo está verticalmente alineada sobre la porción de derrame.
30. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque la característica de control de flujo rompe el electrolito líquido en gotas .
31. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 29 caracterizado porque además comprende una pluralidad de celdas de batería de metal-aire, en donde las celdas de batería de metal-aire están verticalmente alineadas y apiladas una arriba de la otra.
32. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque los orificios de relleno o drenaje de cada una de las celdas de batería de metal-aire están horizontalmente orientadas y apiladas una en la parte superior de la otra, formando de este modo un canal continuo.
33. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque además comprende una bandeja de recolección de electrolito colocada por abajo de una o más celdas de batería de metal-aire.
34. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque el montaje de suministro de electrolito se acciona por gravedad.
35. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque el montaje de suministro de electrolito se moldea por inyección.
36. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque la pluralidad de celdas de batería de metal-aire se apilan bajo compresión.
37. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque la pluralidad de celdas de batería de metal-aire se inclinan hacia arriba hacia el montaje de suministro de electrolito.
38. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque la pluralidad de celdas de batería de metal-aire se inclinan a un ángulo que cae dentro de 1 a 5 grados de la horizontal.
39. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque las celdas de batería de metal-aire comprenden un electrodo de aire que comprende manganeso.
40. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque las celdas de batería de metal-aire comprenden un electrodo de aire que comprende dióxido de manganeso o sal soluble de manganeso.
41. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque las celdas de batería de metal-aire comprenden un electrodo de aire que comprende al menos uno de: cobalto o iridio.
42. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque las celdas de batería de metal-aire comprenden un electrodo de aire que comprende al menos uno de: cloruro de cobalto u oxido de iridio.
43. El sistema de almacenamiento de- energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque las celdas de batería de metal-aire se configuran para experimentar una o más reacciones de electrodo que comprende adicionalmente al menos uno de: urea o amoníaco.
44. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque las celdas de batería de metal-aire se configuran para experimentar una o más reacciones de electrodo que comprende además al menos uno de: un cloro, hipoclorito o cloruro.
45. Una celda de batería recargable de metal-aire, caracterizada porque comprende: un electrodo de meta; un electrodo de aire; y un electrodo acuoso entre el electrodo de metal y el electrodo de aire, en donde el electrodo de metal hace contacto directamente con el electrolito y no se proporciona separador entre el electrodo de aire y el electrolito.
46. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque además comprende un armazón que soporte el electrodo de metal y el electrodo de aire a una distancia fija uno del otro.
47. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque la distancia fija entre el electrodo de metal y el electrodo de aire define un espacio en el cual está contenido el electrolito acuosos.
48. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque el electrodo de metal es un ánodo basado en zinc.
49. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque el electrodo de aire es un cátodo de oxígeno a base de carbono o un el electrodo . de oxígeno a base de polímero, que tiene una membrana hidrófoba permeable a aire; un colector de corriente de metal resistente a corrosión; y en donde durante la carga eléctrica bajo potenciales' aniónicos, se favorece la emisión de oxígeno.
50. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 46, caracterizada porque el armazón se forma de plástico.
51. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque el electrodo de aire se proporciona por arriba del electrodo de metal.
52. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 46, caracterizada porque el armazón incluye un estante que sobresale dentro de la celda y que hace contacto con el electrodo de metal .
53. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque además comprende un electrodo auxiliar entre el electrodo de aire y el electrodo de metal o en ambos lados del electrodo de metal, configurado para cargar la celda y la generación asociada de oxígeno.
54. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque el electrodo de aire comprende manganeso.
55. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque el electrodo de aire comprende al menos uno de: dióxido de manganeso o sal soluble de manganeso .
56. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque el electrodo de aire comprende al menos uno de: cobalto o iridio.
57. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque el electrodo de aire comprende al menos uno de: cloruro de cobalto, u óxido de iridio.
58. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque la celda de batería se configura para experimentar una o más reacciones de electrodo que comprenden adicionalmente al menos uno de:, urea o amoníaco.
59. La celda de batería de conformidad con la reivindicación 45, caracterizada porque la celda de batería se configura para experimentar una o más reacciones de electrodo que comprende además al menos uno de: un cloruro, hipoclorito o cloro.
60. Un método para almacenar energía, caracterizado porque comprende: recibir un electrolito en un tanque de suministro de electrolito; permitir, si se presenta derrame en el tanque de suministro de electrolito, que algo del electrolito caiga de un tanque de suministro de electrolito a una primera celda subyacente de batería de metal-aire; y permitir, si se presenta derrame en la celda subyacente de batería de metal-aire, que algo del electrolito caiga de la primera celda subyacente de batería de metal-aire a una segunda celda de batería de metal-aire o a un tanque de recolección.
61. El método de conformidad con la reivindicación 60, caracterizado porque además comprende: remover el electrolito formado del tanque de recolección; tratar el electrolito removido del tanque de recolección; y proporcionar al menos algo del electrolito tratado al tanque de suministro del electrolito.
62. El método de conformidad con la reivindicación 61, caracterizado porque la primera celda de batería de metal-aire y la segunda celda de batería de metal-aire se conectan entre sí en serie.
63. El método de conformidad con la reivindicación 62, caracterizado porque la primera celda de batería de metal-aire y la segunda celda de batería de metal-aire tienen una separación de aire entre estas .
64. Un método para almacenar energía, caracterizado porque comprende: proporcionar uno o más centrodos que tienen un electrodo de metal y una primera celda en contacto con un electrodo de aire de una segunda celda, en donde se proporciona un túnel de aire entre el electrodo de metal y el electrodo de aire; y proporcionar un primer armazón que se extiende sobre el uno o más centrodos y un segundo armazón que se extiende por abajo del uno o más centrodos, en donde la primera celda comprende el espacio sobre el electrodo de metal y encerradas por el primer armazón para aceptar un electrolito y la segunda celda comprende el espacio por abajo del electrodo de aire y encerrada por el segundo espacio para aceptar un electrolito.
65. Un sistema para almacenar energía a una escala de empresa de servicios, caracterizado porque comprende: una pluralidad de celdas de metal-aire verticalmente apiladas que comprenden al menos un armazón, en donde se proporcionan uno o más túneles de aire entre las celdas; un sistema de manejo de flujo de electrolito integral a uno o más armazones configurados para distribuir un electrolito a una o más celdas; y un montaje de flujo de aire configurado para proporcionar flujo de aire a través de uno o más túneles de aire .
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