MX2014006903A - Celda y bateria de anodo metalico, electricamente recargable, sistemas y metodos. - Google Patents

Celda y bateria de anodo metalico, electricamente recargable, sistemas y metodos.

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Stefanie Sharp-Goldman
Lois Johnson
Michael Kunz
Michael Oster
Tesia Chciuk
Regan Johnson
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Abstract

La invención proporciona un sistema de batería de ánodo metálico completamente eléctricamente recargable, y los métodos para lograr tales sistemas. Una celda de ánodo metálico eléctricamente recargable puede comprender un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y un electrolito acuoso que separa el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire. En algunas modalidades, el electrodo metálico puede hacer contacto directamente con el electrolito líquido y no es necesario ningún separador o membrana porosa entre el electrodo en contacto con el aire y el electrolito. Las celdas de ánodo metálico recargables pueden ser eléctricamente conectadas una a la otra a través de una conexión de céntrodo donde un electrodo metálico de una celda y un electrodo en contacto con el aire de una segunda celda son eléctricamente conectados. Los túneles o vías de paso de aire pueden ser proporcionados entre las celdas de ánodo metálico individuales, acomodadas en un apilamiento. En algunas modalidades, puede también ser proporcionado un sistema de manejo de flujo de electrolito para mantener el electrolito líquido a niveles constantes durante los ciclos de carga y descarga.

Description

CELDA Y BATERIA DE ANODO METALICO, ELECTRICAMENTE RECARGABLE, SISTEMAS Y METODOS Antecedentes de la Invención La combinación de una infraestructura de red nacional eléctrica en obsolescencia, e integración de las fuentes de generación intermitentes a partir de recursos de energía renovable a gran escala (tales como el viento, la energía solar, y las ondas oceánicas) ha incrementado la necesidad crítica para desarrollar tecnologías efectivas de almacenamiento de energía para lograr la estabilidad de suministro de energía de la red eléctrica y desplazar los suministros de energía eléctrica durante los periodos pico y no pico. Los proveedores de electricidad están buscando las maneras para agregar energía limpia a la red eléctrica nacional, para prevenir las interrupciones del servicio y manejar las cargas pico de una manera a bajo costo sin agregar capacidad de generación adicional. Las baterías de almacenamiento son elementos críticos en la expansión y en la adopción en gran escala de fuentes de energía renovable tales como la energía eólica y las granjas solares.
A la fecha, ningún sistema de batería simple es comercialmente exitoso en esta aplicación. Existen varias razones para esto. Una razón es el alto costo de los sistemas de batería existentes. En consecuencia, los proveedores de Ref. 249105 electricidad prefieren utilizar turbinas de gas para proporcionar la energía pico o máxima a la red nacional de electricidad, como sea necesario. Sin embargo, las turbinas de gas no son tan versátiles o utilizables como dispositivos de almacenamiento verdaderos tales como las baterías . Una segunda razón es que el ciclo de vida actual de la batería es demasiado bajo, haciendo los costos de tiempo de vida verdaderos mucho más altos que el costo inicial de la batería. Otras razones es que muchas baterías (tales como las baterías de sodio-azufre) operan a temperaturas elevadas, contienen sustancias químicas peligrosas o pueden estar sometidos a reacciones químicas dañinas, secundarias tales como aquellas que ocurren en las baterías basadas en litio. En resumen, no existe tecnología de batería comercial actual que ofrezca el tamaño de batería a gran escala, el funcionamiento adecuado, y la vida de ciclo de descarga/carga, prolongada a un precio comercialmente viable y una vida de servicio viable para los proveedores de electricidad.
Idealmente, la carga electroquímica de una celda o batería es tal que 60 % o más, preferentemente 80 % o más, y más preferentemente 90 % o más de una capacidad de descarga previa de una batería o celda puede ser disponible nuevamente para la capacidad de descarga útil dentro de un periodo de carga electroquímica de una hora o menos, y preferentemente dentro de 30 minutos o menos.
Por lo tanto, existe una necesidad para sistemas de batería mejorados. Existe una necesidad adicional para configuraciones de batería recargables que son comercialmente viables.
Breve Descripción de la Invención La presente invención proporciona las soluciones a uno o más de los problemas técnicos anteriormente descritos.
La presente invención proporciona un nuevo diseño del sistema de ánodo metálico, eléctricamente recargable, y la química de la batería ha sido proporcionada de acuerdo con diversos aspectos de esta invención. Este diseño de celda de ánodo metálico incorpora un número sustancial de nuevos y previamente no explorados, productos químicos, materiales, y cambios estructurales y de diseño. Los diversos cambios y modificaciones de este sistema de batería de ánodo de zinc serán descritos con mayor detalle más adelante. En algunas modalidades esta celda de ánodo metálico puede ser una celda de zinc-aire. El nuevo sistema de batería ha sido exitosamente eléctricamente descargado y cargado con este nuevo sistema de batería más de 1800 veces sin evidencia de degradación del cátodo de aire. Con base en tales resultados, se espera una vida operacional prolongada. Algunas (o todas) de las modificaciones listadas en la presente pueden ser combinadas para obtener funcionamiento de la celda con un ciclo de vida prolongado que puede hacer a este sistema de zinc-aire disponible y práctico.
Un aspecto de la invención está dirigido a una celda de ánodo metálico recargable que puede comprender un electrodo metálico; un electrodo poroso en contacto con el aire, que contiene un catalizador; y un electrolito acuoso entre el electrodo metálico y el electrodo de contacto con el aire, poroso, en donde el electrodo metálico hace contacto directamente con el electrolito y no es proporcionado ningún separador o no es necesario entre el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metálico. En algunas modalidades adicionales, no es proporcionado ningún separador entre el electrodo en contacto con el aire y el electrolito.
Un metal puede incluir cualquier metal, aleación metálica, material intermetálico, mischmetales (aleación de metales céricos obtenida por reducción electrolítica de cloruro de cerio impuro) , o mezclas de los materiales anteriormente mencionados.
Los metales pueden también incluir metales de chapado donde un metal es recubierto sobre otro metal o sobre cualquier sustrato conductor adecuado. Este puede también incluir materiales de tres chapas donde un metal (o aleación metálica) es recubierto sobre un segundo metal (o substrato conductor adecuado), y a su vez, un tercer metal (o aleación metálica) es recubierto sobre la parte superior de estos dos metales. El metal subyacente y el metal recubierto pueden ser ya sea el mismo metal o aleación o un metal o aleación diferentes. Un ejemplo simple de un chapado metálico podría incluir un estuche donde el metal A es recubierto sobre el metal B. El metal A puede ser el mismo que el metal B o podría ser un metal diferente. Una tri -chapa podría consistir de tres metales separados, por ejemplo el metal C recubierto sobre la parte superior del metal A, el cual a su vez está recubierto sobe el metal B. El metal C podría ser ya sea el mismo que el metal A o B, o bien podría ser un metal completamente diferente. Los ejemplos podrían incluir titanio recubierto sobre cobre o níquel . Otro metal adecuado puede ser recubierto entre el titanio y el cobre. Cualquier número de metales y/u otros materiales conductores pueden ser chapas, incluyendo pero no limitados a dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete o más. Cualquiera de los materiales de chapado y/o substratos pueden ser cualquier material conductor, el cual puede incluir pero no estar limitado a metal (por ejemplo, cobre, níquel aluminio, titanio, plata, hierro, acero, latón, platino, paladio) , y cualesquiera otros materiales eléctricamente conductores, y/o cualquier otro material descrito más adelante en la presente.
Un intermetálico puede referirse a las composiciones que consisten únicamente de átomos de metal los cuales están enlazados uno al otro vía enlaces metálicos en proporciones no estequiométricas . Los ejemplos podrían incluir, pero no están limitados a Ag-Ni, Ag-Au, PdPt, Pt0.5Auo.5, PdNi, Pdlr, o AxBy, donde A representa rutenio, paladio, renio, iridio o platino, B representa aluminio, escandio, itrio, los lantánidos, titanio, circonio, hafnio, vanadio, niobio, o Tántalo, x e y son subíndices adecuados, tal que x e y son números enteros y ambos mayores que o iguales a 1 (por ejemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, o similares) y x + y es mayor que o igual a dos.
Un separador puede incluir un material en general poroso diseñado para separar o aislar eléctricamente el cátodo del ánodo. Este material puede ser iónicamente conductor pero eléctricamente aislante. Al ser colocado entre el cátodo y el ánodo, un separador podría reducir el flujo conectivo por ~ 20 %. Un separador podría reducir el transporte iónico (sobre aquel que podría ocurrir si no estuvieran presente ningún separador) por ~ 15 %.
Un electrodo de contacto con el aire podría comprender un material poroso, eléctricamente conductor, el cual está en contacto con el aire. Esta porosidad puede permitir que el oxígeno proveniente del aire se difunda a través de los poros y entre en contacto físico y eléctrico con el material en el electrodo. Ordinariamente, un lado del electrodo que hace contacto con el gas está en contacto con una fase gaseosa (por ejemplo, el espacio de aire de una celda de ánodo metálico) y el otro lado está expuesto a una fase electrolítica. En una configuración de celda bipolar, es proporcionado un contacto eléctrico entre un electrodo de contacto con el aire de una celda y el ánodo de una celda adyacente .
Otro aspecto más de la invención está dirigido a un sistema de celda de ánodo metálico, recargable, que comprende un electrodo metálico; un electrodo en contacto con el aire; y una solución electrolítica acuosa que tiene un pH en el intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10 (por ejemplo, aproximadamente 3.5 a aproximadamente 9.5, aproximadamente 4 a aproximadamente 9, o aproximadamente 5 a aproximadamente 8) , en donde el sistema de celda de batería es capaz de sufrir al menos 500 o más ciclos de descarga y de recarga eléctrica sin degradación física de los materiales o degradación sustancial del funcionamiento de la celda y del sistema .
Un montaje de celda puede ser proporcionado de acuerdo con otro aspecto más de la presente invención. Un montaje de batería puede comprender un número de celdas individuales. Cada celda puede comprender un electrodo metálico, un electrodo de contacto del aire que contiene un catalizador, y un electrolito líquido entre ellos. La primera celda puede ser conectada a una segunda celda que tiene también un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y el electrolito líquido entre ellos. Estas dos celdas están conectadas de una manera donde el electrodo metálico de la celda #1 hace contacto con el electrodo en contacto con el aire de la celda #2. Esto permite que se forme un espacio de aire o túnel entre el electrodo de la celda #1 y el electrodo en contacto con el aire de la celda #2. En esta configuración, el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire están paralelos uno al otro y horizontalmente orientados.
Un aspecto adicional de esta invención proporciona un sistema de almacenamiento de energía que comprende: un montaje de suministro de electrolito líquido que tiene una característica de control de flujo que está configurado de una manera tal como para distribuir (por ejemplo, agregar o remover) electrolito líquido, como sea necesario, a las celdas individuales. Esto puede incluir al menos una compuerta que tiene una porción de sobreflujo, en donde la característica de control de flujo permite que el exceso o el superávit de electrolito sobrefluya desde cada celda individual en la batería si los volúmenes de electrolito en esas celdas se incrementan de manera considerable. Esto puede permitir también que las celdas individuales dentro de una batería sean rellenadas con electrolito . líquido si los volúmenes de electrolito en esa celda particular disminuyen. En algunas modalidades, las características de control de flujo pueden ser verticalmente alineadas sobre la porción de sobreflujo.
Un método para almacenar energía puede proporcionar otro aspecto de la invención. Este método puede comprender la recepción de un electrolito en un tanque de suministro de electrolito, y permitir, si ocurre el sobreflujo en el tanque de suministro del electrolito, que algo del electrolito caiga desde un tanque de suministro de electrolito a una celda subyacente; y permitiendo, si ocurre el sobreflujo en la celda subyacente, que algo del electrolito caiga desde la primera celda hacia una segunda celda o un tanque de recolección. Este efecto de cascada de electrolito asegura que los niveles de electrolito en todas las celdas estén aproximadamente a nivel y llenas. Esto puede ayudar a mantener el buen contacto eléctrico y volúmenes de electrolito aproximadamente iguales y a nivel, incluso con expansión, fracción o evaporación del electrolito.
Pueden ser proporcionados métodos adicionales de acuerdo con otros aspectos de la invención. Un método para almacenar la energía eléctrica puede comprender proporcionar uno o más electrodos en contacto con el aire, bipolares, con un espacio de aire entre ellos. La combinación de un electrodo en contacto con el aire a partir de una celda conectada a un electrodo metálico de otra celda — puede ser denominada como un "céntrodo" . Un "céntrodo" consiste de un electrodo metálico (en general, el ánodo) de una celda en contacto eléctrico con el electrodo en contacto con el aire de una segunda celda. Esto permite que sea proporcionado un túnel de aire entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire. Una estructura se extiende sobre la parte superior de uno o más de estos céntrodos y una segunda estructura se extiende por debajo de estos céntrodos. La primera celda comprende el espacio sobre el electrodo metálico y está encerrado por la primera estructura para aceptar el electrolito líquido. Una segunda celda comprende el espacio por debajo del electrodo en contacto con el aire y cerrado por el segundo espacio para aceptar un electrolito. En algunas modalidades, un céntrodo puede ser proporcionado como se describe o se ilustra en otro sitio en la presente.
Un sistema para almacenar energía a escala de utilidad, proporcionado de acuerdo con un aspecto de la invención, puede comprender una pluralidad de celdas que comprenden al menos una estructura, en donde uno o más túneles de aire son proporcionados entre las celdas individuales; un sistema de manejo de flujo de electrolito que está configurado para distribuir el electrolito a una o más celdas o pilas de celdas; y un montaje de flujo de aire configurado para proporcionar flujo de aire a través de uno o más túneles de aire. En algunas modalidades, el sistema de manejo de electrolito puede estar integral a una o más estructuras .
Otras metas y ventajas de la invención serán apreciadas y entendidas adicionalmente cuando se consideran en conjunto con la siguiente descripción y las Figuras anexas. Mientras que la siguiente descripción puede contener detalles específicos que describen modalidades particulares de la invención, esto no debe ser considerado como limitaciones al alcance de la invención, sino más bien como una ejemplificación de las modalidades potenciales o preferibles. Para cada aspecto de la invención, son posibles muchas variaciones como son sugeridas en la presente, que son conocidas por aquellos de experiencia ordinaria en la técnica. Pueden ser realizados una variedad de cambios y modificaciones dentro del alcance de la invención sin apartarse del espíritu de la misma.
Un aspecto de la presente invención proporciona una celda o batería de ánodo metálico, eléctricamente recargable, que comprende un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire; y un electrolito acuoso situado entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire, en donde el electrodo metálico hace contacto directamente con el electrolito líquido, y sin un material iónicamente conductor y eléctricamente aislante entre el electrodo en contacto con el aire y el electrolito líquido.
Algunas modalidades proporcionan una celda o batería que comprende una estructura que soporta el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire, de modo que el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire están situados a una distancia fija uno del otro. Por ejemplo, la distancia fija entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire define un espacio en el cual puede estar contenido el electrolito líquido. En otros ejemplos, la estructura está al menos parcialmente formada de un material polimérico o plástico. Y en algunos ejemplos, la estructura comprende un anaquel que sobresale dentro de la batería o celda y que hace contacto con el electrodo metálico .
En algunas modalidades, el electrodo metálico comprende zinc. En otras, el electrodo metálico comprende magnesio.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende una matriz que incluye carbono o un polímero, una membrana hidrofóbica permeable al aire; y un recolector de corriente eléctricamente conductor, resistente a la corrosión.
En algunas modalidades, el recolector de corriente comprende un material conductor que comprende un metal expandido, una malla conductora, tela, espuma, una lámina, un alambre, un tiesto, una varilla, lana o cualquier combinación de los mismos. En algunas modalidades, el recolector de corriente comprende uno o más polímeros eléctricamente conductores .
En algunas modalidades, el desprendimiento de gas oxígeno es favorecido durante la carga de la celda o batería.
En algunas modalidades, un compuesto metálico cambia su estado de oxidación y forma un material catalítico que favorece el desprendimiento de gas oxígeno durante la carga de la celda o batería.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metálico están conectados en una configuración bipolar. En otras, el electrodo en contacto con el aire está en una orientación horizontal y colocado por arriba del electrodo metálico.
Algunas modalidades comprenden además un electrodo auxiliar configurado para la carga de la celda y la generación asociada de oxígeno que está situado entre el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metálico, o sobre ambos lados del electrodo metálico.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un material de carbono. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: negro de carbono, negro de acetileno, negro térmico o de horno, negro de canal, carbono activado, grafito, grafito pirolítico, carbono vitreo reticulado, carbonos fluorados, o carbono cristalino. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende partículas basadas en carbono de diversas formas y tamaños, que incluyen una o más de las siguientes: nanotubos de carbono, nanotubos funcionalizados , nanofibras de carbono, nanofibras funcionalizadas , alambres, hojuelas, películas, grafeno, o fulerenos. Y, en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un compuesto basado en carbono, en donde la resistividad del electrodo en contacto con el aire es menor de 60 ohmios-cm.
En otras modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un compuesto basado en carbono, en donde la porosidad del electrodo en contacto con el aire es mayor del 30 %.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un polímero eléctricamente conductor, basado en carbono.
Algunas modalidades comprenden además un aglutinante que imparte al electrodo en contacto con el aire una resistencia a la tracción mayor de aproximadamente 0.14 kg/cm2 (2 psi) .
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un material no carbonáceo.
En modalidades alternativas, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un óxido metálico o no metálico. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más óxidos metálicos que son no estequiométricos y tienen la fórmula Mm-x0m-y, en donde M representa un metal, o representa oxígeno, el subíndice x tiene un valor de 0 < x < 1, el subíndice y tiene un valor 0 < y < 1, y el subíndice m puede tener un valor 1 < m < 5. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más óxidos metálicos o no metálicos que pertenecen al grupo seleccionado de: Pt02, Ni02, Nb20s, M003, Zn02, Sn02, Fe203, 203, A1203, Bi203, Yb203, Ge203, B203 o Ce02. Y en otras modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende silicio impurificado o no impurificado. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Si02, aluminosilicato, ultra-marino, o A1203.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto de azufre. Y en algunas modalidades, el compuesto de azufre comprende un sulfuro (por ejemplo, SnS o TiS2) .
En otras modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un carburo de uno o más de los siguientes: un metal, un no metal, o un metal de transición. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: TiC, VC, WC, o BC.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un boruro de uno o más de los siguientes: un metal, un no metal, o un metal de transición. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende TiB2.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: un metal, un no metal o un metal de transición. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes elementos: Iridio, Circonio, Titanio, Platino, Rutenio, Rodio, Cobalto, Manganeso, Vanadio, Cerio, Bismuto, Plata, Cobre, Hierro u Oro. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas que comprenden uno o más de los siguientes elementos: Iridio, Circonio, Titanio, Platino, Rutenio, Rodio, Cobalto, Manganeso, Vanadio, Cerio, Bismuto, Plata, Cobre, Hierro u Oro.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende TiH2.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más óxidos metálicos o de metales de transición. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los compuestos que incluyen titanio y oxígeno. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Ti02, Ti407, Ti508, o TÍ5O9. Y en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas que comprenden uno o más de los siguientes: Ti02, Ti407, Ti508, o TÍ5O9.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de titanio, en donde el titanio tiene un número de oxidación promedio de 4.0 o menor. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de titanio, en donde el titanio tiene un número de oxidación promedio entre 3.5 y 4.0. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de titanio, en donde el titanio tiene un número de oxidación promedio entre 3.2 y 3.5.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos que comprenden vanadio y oxígeno. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes compuestos de vanadio: óxido de vanadio (II), óxido de vanadio (III), óxido de vanadio (IV) , u óxido de vanadio (V) . Y en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos que contienen vanadio y oxígeno, en donde el estado de oxidación del vanadio tiene un valor no entero en el intervalo de 5.0 y 3.0. En ejemplos alternativos, el electrodo en contacto con el aire comprende ?e013 o V508.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de manganeso en donde el manganeso tiene un estado de oxidación de 4.0 o menor. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de manganeso en donde el manganeso está en un estado de oxidación promedio entre 3.0 y 4.0. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de manganeso en donde el manganeso está en un estado de oxidación promedio entre 3.0 3.5. Y en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de manganeso en donde el manganeso está en un estado de oxidación promedio entre 2.5 y 3.0.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Mn02, Mn304( Mn508, o MnOx donde el subíndice x está en el intervalo de 1.10 < x < 2.01.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende partículas de tamaño nanométrico que comprenden uno o más compuestos de manganeso, donde el manganeso está en un estado de oxidación promedio entre 3.0 y 3.5.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos que incluyen un metal o metal de transición, y oxígeno. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Ir02, uP2, V205, Ce02, o Th02. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende óxidos metálicos en tamaño de nanopartícula que incluyen uno o más de los siguientes: Ir02, RuP2, V205, Ce02, o Th02, En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende aleaciones metálicas o combinaciones de metales o aleaciones metálicas.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende metales mixtos intermetálicos.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Ag-Ni; Ag-Au, PdPt; Pt0.5Au0.5; PtxYt-x, en donde Y se selecciona del grupo que consiste de cobalto, níquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio, tungsteno, aluminio, plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x está entre 0.1 y 0.9; o PtxMzYi_x-z en donde M se selecciona del grupo que consiste de iridio, renio, cobalto y níquel, y combinaciones de los mismos, Y se selecciona del grupo que consiste de cobalto, níquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio, tungsteno, aluminio, plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x + z está entre 0.1 y 0.9.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de anillo cíclico basados en metal que contienen grupos nitrógeno. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende una porfirina que incluye uno o más metales, o productos de descomposición inducida por calor o radiación, de una porfirina que comprende uno o más metales .
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto de anillo cíclico o un complejo. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende un tetraazaazuleno .
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende cobalto o un compuesto del mismo.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende níquel o un compuesto del mismo.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende metales de transición de tamaño nanométrico .
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende una pluralidad de partículas de cobalto que tienen un diámetro medio menor de 1 micrómetro.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más óxidos, carburos o boruros, de un metal de transición y además comprende un aditivo eléctricamente conductor.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un óxido de manganeso y un aditivo eléctricamente conductor. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende un óxido de manganeso y carbono eléctricamente conductor.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un óxido de manganeso y una pluralidad de partículas conductoras que comprenden un metal.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un óxido de manganeso que tiene la fórmula general AaMnxMyOzSsHh; en donde A es elegido de hidrógeno, litio, sodio, potasio, rubidio, estroncio o plata; subíndice a es 0.00 < a < 1.2; Mn representa manganeso; M es elegido de vanadio, cerio, bismuto, titanio, hierro, cobalto, níquel, circonio, lantano, iterbio; 0 representa oxígeno; S representa azufre, el subíndice s es 0.00 < s < 0.1; H es elegido de flúor o cloro; el subíndice h es 0.00 < h < 0.15; y los subíndices x, u y z tienen valores tales que el compuesto total es eléctricamente neutro.
En algunas modalidades, el compuesto de manganeso comprende una fase cristalográfica seleccionada de: alfa, beta, o gamma Mn02.
En algunas modalidades, el compuesto de manganeso comprende una fase amorfa.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende óxidos de cobalto. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende cobalto y oxígeno, en donde el cobalto tiene un número de oxidación de +2 a +8. En otros ejemplos el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: CoO, Co03, Co04 o C03O4. Y, en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende una pluralidad de partículas que comprenden CoO, C0O3 , C0O4 o C03O4 y que tienen un diámetro de partícula medio menor de 1 micrómetro.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende PbMnOx en donde Pb representa plomo, Mn representa manganeso, y el subíndice x es un número tal que el compuesto es eléctricamente neutro.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos que tienen una combinación estable de un metal de transición, oxígeno y un lantánido. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende una pluralidad de partículas de uno o más compuestos que tienen una combinación estable de un metal de transición, oxígeno y un lantánido, en donde las partículas tienen un diámetro medio menor de 1 micrómetro. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende LaMn03. Y en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas de LaMn03.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto que tiene la fórmula general LaMxMnyO, en donde La representa lantánido, M representa un metal, Mn representa manganeso, O representa oxígeno, y los subíndices x, y y z son números tales que el compuesto es eléctricamente estable. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de: LaNio.5Mno.5O3, LaCuo.5Mno.5O3, La0.8Sr0.2MnO3 La2/3Cai/3Mn03 , o Lai/2Sri/2Mn03. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas de: LaNio.5Mno.5O3, LaCuo.5Mno.5O3, La0.8Sr0.2MnO3 La2/3Cai/3Mn03 , o Lai/2Sr!/2Mn03.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un metal de transición, un metal alcalino o alcalinotérreo, y un grupo fosfato, que tiene la fórmula general AxMyPOz en donde A es un metal alcalino o alcalinotérreo, M es un metal de transición, y los subíndices X es Y son números tales que el compuesto es estable y el subíndice Z tiene un valor de aproximadamente 4.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende LiMnP04, LÍC0PO4, o LiFeP04. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas de LiMnP04, L1C0PO4, o LiFeP04.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto que tiene una combinación de un lantánido, un metal, un óxido de metal de transición, y un halógeno, que tiene la fórmula general MnxMyAz0aHb en donde Mn es manganeso, M es un metal de transición, A es un metal alcalino o alcalinotérreo, 0 es oxígeno, H es un halógeno, y los subíndices x, y, a y b son valores tales que el compuesto es eléctricamente estable.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas de un compuesto que tiene una combinación de un lantánido, un metal, un óxido de metal de transición, y un halógeno que tiene la fórmula general nxMyA2OaHb en donde Mn es manganeso, M es un metal de transición, A es un metal alcalino o alcalinotérreo, 0 es oxígeno, H es un halógeno y los subíndices x, y a y b son valores tales que el compuesto es eléctricamente estable.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto que sufre reducción u oxidación electroquímica, y con esto proporciona una meseta de voltaje adicional o capacidad agregada durante la descarga eléctrica. En algunos ejemplos, el compuesto es uno que al sufrir reducción u oxidación electroquímica efectivamente disminuye los potenciales de carga de celda requeridos o eleva los potenciales durante la descarga de la celda.
En algunas modalidades, un compuesto proximal al electrodo en contacto con el aire sufre la reducción durante la descarga de la celda, y es reoxidado por un agente oxidante o una superficie oxidante, o presente en la batería o en la celda o introducido dentro de la batería o la celda desde una fuente externa. En algunos casos, el agente oxidante es un oxígeno o peróxido de hidrógeno. En otros, el agente oxidante es N20 o nitrato de amonio. Y en algunos casos, el agente oxidante es un compuesto de metal de transición disuelto en el electrolito.
En algunas modalidades, la batería o la celda están configuradas para sufrir una o más reacciones de electrodo que involucran una o más de urea, nitrato, cloruro o amonio. Por ejemplo, la batería o la celda está configurada para sufrir una o más reacciones de electrodo que involucran al menos uno de: cloro, oxígeno, hipoclorito o cloruro.
En algunas modalidades, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es elaborado de un polímero eléctricamente conductor.
En algunas modalidades, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es elaborado de un metal. Por ejemplo, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es elaborado de metal de titanio o de una aleación del mismo.
En algunas modalidades, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es elaborado de metal de titanio o aleaciones de titanio recubiertas con un recubrimiento resistente a la corrosión. Por ejemplo, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es elaborado del metal de titanio o aleaciones de titanio recubiertas con uno o más de los siguientes: TiN, TiC, Ti, TiB2 oxicarburo, Ti2S3m NiB, CrN, grafito pirolítico, polímeros conductores, o carbono vitreo. En otros ejemplos, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es elaborado de titanio recubierto con Ti02 y/o subóxidos . En algunos ejemplos, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es elaborado de titanio o sus aleaciones recubiertas con Ti02 y que ha sido hecho más eléctricamente conductor por medio de aditivos o impurificantes , En algunas modalidades, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es recubierto con un catalizador de reducción de oxígeno o de oxidación de agua. Por ejemplo, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es primeramente recubierto con un recubrimiento protector adecuado y luego recubierto con un catalizador adecuado de reducción de oxígeno o de oxidación de agua. Por ejemplo, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire comprende titanio recubierto con un catalizador de reducción de oxígeno u oxidación de agua. En otros ejemplos, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire comprende titanio recubierto con un recubrimiento protector, y luego recubierto con un catalizador de reducción de oxígeno o de oxidación de agua.
En algunas modalidades, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire está en la forma de una malla eléctricamente conductora, hoja metálica perforada, tela tejida, alambre, malla o espuma porosa. Por ejemplo, el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire está en la forma de una malla eléctricamente conductora, y es un compuesto que comprende un metal, un carbono vitreo o grafito.
En algunas modalidades, el electrolito comprende un electrolito basado en cloruro acuoso. Por ejemplo, el electrolito comprende una mezcla de sales de cloruro solubles cuyos cationes son adecuados para formar sales de cloruro solubles en solución. En otros ejemplos, el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso, que tiene un pH en el intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10. Y en algunos ejemplos, el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso que tiene una conductividad mayor de 30 (miliohomio cm)"1. En ejemplos alternativos, el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso que tiene las proporciones de [Cr] a [Zn++] de 2 o más. Y en otros ejemplos, el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso que tiene las proporciones [Cl~] a [Zn++] de 3 o más. En otros ejemplos, el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso que tiene las proporciones [Cr] a [Zn++] de 5 o más .
En algunas modalidades, el electrolito comprende una mezcla de sales solubles basadas en al menos uno de los siguientes aniones: sulfatos nitratos, carbonatos, hexafluorosilicatos tetrafluoroboratos , metansulfonatos , permanganato, hexafluorosofatos , boratos, fluoruros o fosfatos .
En algunas modalidades, el nivel de pH del electrolito es tal que el Co2 normalmente presente en el aire no es absorbido por el electrolito, y se forman pocos o ningún carbonato.
En algunas modalidades, el electrolito comprende además un aditivo, o combinaciones de aditivos, que mejora la deposición del zinc durante el chapado (carga de las celdas) sobre el electrodo metálico. Por ejemplo, el electrolito comprende además un aditivo que incluye al menos uno de los siguientes: polietilenglicoles o tiourea.
En algunas modalidades, el electrolito comprende además un aditivo que previene la formación de espuma del electrolito y permite que cualquier gas generado sea liberado .
En algunas modalidades, el electrolito comprende un aditivo que incluye uno o más de lo siguiente: Simeticona, Dowex, Aloe Vera, emulfogen, dodecasulfato de sodio, aceite de ricino sulfonado, trementinas u otros tensioactivos .
En algunas modalidades, el electrolito comprende un aditivo que previene el desprendimiento de hidrógeno durante la carga.
En algunas modalidades, el electrolito comprende un aditivo que incluye una o más de las siguientes sales de cloruro con alto sobre potencial de hidrógeno: cloruro de estaño, nitrato de estaño, cloruro de plomo, nitrato de plomo, cloruro de mercurio, cloruro de cadmio, nitrato de cadmio, nitrato de bismuto, nitrato de indio, cloruro de indio o cloruro de indio o cloruro de bismuto.
En algunas modalidades, el electrolito comprende un aditivo que previene o reduce al mínimo el desprendimiento de gas cloro y/o de hipoclorito durante la recarga de la celda.
En algunas modalidades, el electrolito comprende un aditivo electrolítico que comprende urea.
En algunas modalidades, el electrolito comprende un aditivo que promueve el chapado o precipitación deseable del zinc .
En algunas modalidades, el electrolito comprende un aditivo que promueve los depósitos de zinc que tienen un área superficial electroquímica de al menos dos veces el área superficial geométrica del electrodo.
En algunas modalidades, el electrolito comprende un anión aditivo que incluye al menos uno de los siguientes aniones: benzoatos, yodatos, estearatos, nitratos, citratos o carbonatos . Por ejemplo, el electrolito comprende un aditivo que incluye un anión con un pKa de 2 a 11.
En algunas modalidades, el electrolito comprende una sal de manganeso soluble .
En algunas modalidades, el electrodo metálico comprende además un recolector de corriente formado de un metal recubierto con un recubrimiento protector o conductor. Por ejemplo, el electrodo metálico comprende además un recolector de corriente formado de metal titanio recubierto con un recubrimiento protector de uno o m s de los siguientes: TiC, TiN, CrN, TiB2/ NiB un carbono pirolítico, o un polímero conductor.
En otro aspecto más de la presente invención, se proporciona una montaje de batería que comprende una primera celda que tiene un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y el electrolito entre ellos; y una segunda celda que tiene un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y un electrolito entre ellos, en donde el electrodo metálico de la primera celda hace contacto con el electrodo en contacto con el aire de la segunda celda, de modo que se forma un túnel de aire entre el electrodo metálico de la primera celda y el electrodo en contacto con el aire de la segunda celda, y en donde el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire están orientados de manera sustancialmente horizontal.
En algunas modalidades, los electrodos metálicos y los electrodos en contacto con el aire son alojados en una orientación sustancialmente horizontal.
En algunas modalidades, el electrodo metálico de la primera celda hace contacto con el electrodo en contacto con el aire de una segunda celda por un rizado mecánico alrededor de los bordes del electrodo en contacto con el aire de la primera celda, de la cual se forma un céntrodo.
En algunas modalidades, el céntrodo proporciona una conexión en serie entre la primera celda y la segunda celda.
En algunas modalidades, la primera celda, la segunda celda y una o más celdas están orientadas de manera substancialmente horizontal, y están acomodadas de una manera paralela en serie para alcanzar asi un voltaje deseado y distribuir una densidad de corriente deseada.
En algunas modalidades, el gas fluye en una dirección horizontal dentro del túnel de aire.
Algunas modalidades comprenden además una tercera celda que tiene un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y el electrolito entre ellos; y una cuarte celda que tiene un electrodo metálico un electrodo en contacto con el aire, y el electrolito entre ellos, en donde el electrodo metálico de la tercera celda está mecánicamente rizado alrededor del borde del electrodo en contacto con el aire de la cuarta celda, de modo que es formado un túnel de aire entre el electrodo metálico de la tercera celda y el electrodo en contacto con el aire de la cuarta celda, con lo cual se forma un segundo céntrodo, y en donde el segundo céntrodo está en contacto eléctrico con el primer céntrodo, con lo cual se proporciona una conexión eléctrica entre la primera celda y la segunda celda.
Otro aspecto más de la presente 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 uniformemente el electrolito líquido a las celdas de aire metálicas subyacentes; y una o más celdas de ánodo metálicas que comprenden al menos una compuerta de relleno o de desagüe común que tiene una porción de sobreflujo de líquido, en donde la característica de control de flujo está verticalmente alineada sobre la porción de sobreflujo.
En algunas modalidades, la característica de control de flujo rompe el electrolito líquido en gotas discontinuas y separadas.
En algunas modalidades, una o más celdas de ánodo metálicas están horizontalmente orientadas y apiladas una sobre la parte superior de la otra.
En algunas modalidades, las compuertas de relleno o de desagüe de cada una de las celdas de ánodo metálicas, individuales en un apilamiento de batería están orientadas y apiladas una sobre la parte superior de la otra, con lo cual se forma un canal de flujo vertical continuo para que los líquidos pasen a través.
En algunas modalidades, el sistema de almacenamiento de energía comprende además una charola de recolección de electrolito líquido colocada por debajo de una o más celdas de ánodo metálico.
En algunas modalidades, el montaje de suministro de electrolito proporciona electrolito líquido a las celdas individuales por acción de la gravedad.
En algunas modalidades, la estructura física del montaje de suministro de electrolito es moldeada por inyección .
En algunas modalidades, la pluralidad de celdas de ánodo metálico individuales son apiladas conjuntamente bajo compresió .
En algunas modalidades, la pluralidad de celdas de ánodo metálico horizontalmente orientadas, están inclinadas ligeramente hacia arriba cerca del montaje de suministro de electrolito.
En algunas modalidades, las celdas de ánodo metálico están inclinadas hacia arriba a un ángulo de 1 a 5 grados de la horizontal .
Otro aspecto más de la presente invención proporciona un método para almacenar energía que comprende: recibir un electrolito líquido en un tanque de suministro de electrolito; permitir, si el electrolito líquido se desborda del tanque de suministro de electrolito, el electrolito líquido gotea hacia abajo hacia las celdas de ánodo metálico subyacentes; y permitir, si el desbordamiento del electrolito líquido adicional ocurre en las celdas de ánodo metálico subyacentes, algo del electrolito gotea hacia un segundo nivel de las celdas de ánodo metálico subyacentes o un tanque de recolección situado por debajo de las celdas de ánodo metálico, subyacentes.
Algunas implementaciones comprenden además: retirar el electrolito líquido del tanque de recolección; tratar el electrolito líquido proveniente del tanque de recolección; agregar ingredientes adicionales al electrolito líquido si es necesario; y proporcionar electrolito líquido fresco o tratado hacia el tanque de suministro de electrolito, si es necesario .
En algunas implementaciones, una primera celda de ánodo metálico y una segunda celda de ánodo metálico están eléctricamente conectadas una a la otra en un arreglo en serie .
En algunas implementaciones, una primera celda de ánodo metálico y una segunda celda de ánodo metálico tienen un espacio de aire entre éstas.
Otro aspecto más de la presente invención proporciona un método para almacenar energía que comprende: proporcionar uno o más céntrodos que tienen un electrodo metálico de una primera celda en contacto con un electrodo en contacto con el aire de una segunda celda, en donde un túnel o vía de aire es proporcionado entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire; y proporcionar una primera estructura que se extiende sobre uno o más céntrodos y una segunda estructura que se extiende por debajo de uno o más céntrodos, en donde la primera celda comprende el espacio por arriba del electrodo metálico y encerrado por la primera estructura para aceptar el electrolito, y la segunda celda comprende el espacio por debajo del electrodo en contacto con el aire y encerrado por el segundo espacio para aceptar el electrolito .
Otro aspecto más de la presente invención proporciona una configuración de apilamiento de batería que comprende un arreglo de una pluralidad de celdas apiladas verticalmente, y horizontalmente adyacentes una a la otra, en donde una celda individual comprende un electrodo metálico y un electrodo en contacto con el aire, en donde el arreglo de la pluralidad de celdas permite las conexiones eléctricas entre las celdas tanto verticalmente como horizontalmente, permitiendo con esto la desviación de una celda fallida.
Otro aspecto más de la presente invención proporciona un sistema para almacenar energía a escala de utilidad, que comprende: una pluralidad de celdas de ánodo metálico horizontalmente acomodadas y verticalmente apiladas, que comprenden al menos una estructura, en donde uno o más túneles de aire son proporcionados entre las celdas; un sistema de manejo de flujo de electrolito, integral a una o más estructuras, configurado para distribuir automáticamente el electrolito líquido hacia las celdas; y un montaje de flujo de aire configurado para proporcionar flujo de aire a través de uno o más túneles o vías de aire.
Incorporación por Referencia Todas las publicaciones, patentes y solicitudes de patente mencionadas en esta especificación son incorporadas aquí por referencia al mismo grado como si cada publicación, patente o solicitud de patente individual fuera específica e individualmente indicada para ser incorporada por referencia.
Breve Descripción de las Figuras Las diversas características novedosas de esta invención son descritas con particularidad en las reivindicaciones anexas. Será obtenido un mejor entendimiento de las características y ventajas de la presente invención por referencia a la siguiente descripción detallada que describe las modalidades ilustrativas, en las cuales son utilizados los principios de la invención, y las Figuras anexas de las cuales: La Figura 1 muestra las celdas de ánodo metálico recargables, acomodadas en una orientación horizontal de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Para cada celda individual, el cátodo poroso, de respiración de aire, puede ser colocado en una dirección horizontal (sobre la parte superior) , mientras que el ánodo metálico es colocado horizontalmente (sobre el fondo) . El electrolito líquido puede estar contenido entre el cátodo de respiración de aire sobre la parte superior y el ánodo metálico sobre el fondo. La estructura de plástico puede retener el cátodo y el ánodo apretadamente en su sitio y puede prevenir que el electrolito líquido se fugue fuera de estas celdas. Este arreglo de electrodo no requiere una membrana separadora entre el cátodo y el ánodo. La región abierta o espacio de aire proporcionado entre cada celda individual en un montaje de celdas múltiples, permite que el aire fluya fácilmente en el espacio entre estas celdas. Conforme el aire fluye entre estas celdas, éste puede proporcionar oxígeno (combustible) al cátodo de respiración de aire, poroso, que está de cara al espacio de aire.
La Figura 2 muestra un ejemplo de las celdas individuales que pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. Las celdas individuales son mantenidas juntas por una estructura de plástico eléctricamente aislante .
La Figura 3 muestra una vista en sección isométrica de una sola celda, de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El alojamiento de plástico puede mantener los electrodos individuales.
La Figura 4A muestra un sistema para mantener un nivel de electrolito sustancialmente constante y uniforme dentro de un grupo de celdas que están horizontalmente acomodadas, en donde estas celdas pueden compartir una compuerta de relleno de electrolito común y el 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 las celdas lado por lado en un plano que comparte una compuerta de relleno común y puede incluir un taque o cargador separado donde el electrolito gastado puede ser barrido por el electrolito cargado (con una metal de zinc o una suspensión de zinc) de acuerdo con otra modalidad más de la invención.
La Figura 5 muestra un ejemplo de una configuración de apilamiento de batería.
La Figura 6 muestra un ejemplo de una compuerta de manejo de electrolito, centralizada, para un sistema de almacenamiento de energía que permite que cada celda sea llenada con el electrolito líquido. El electrolito en exceso proveniente de una celda puede caer encascada o rebosar de una manera controlada hacia otras celdas situadas por debajo, de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 7 muestra una vista adicional de una configuración de apilamiento de batería con las conexiones de electrodo metálico y de electrodo en contacto con el aire verticalmente , y también con redundancia horizontal para permitir la desviación de una celda con falla.
La Figura 8A muestra un ejemplo de un recipiente de carga aislado y la utilización de la máquina HVAC para un módulo de batería con un apilamiento separado de charolas con un tanque de almacenamiento de electrolito, superior, y un desagüe inferior, para ser parte de un sistema de recirculación de electrolito de acuerdo con una modalidad de esta invención.
La Figura 8B muestra las charolas individuales de las celdas en el fondo de los módulos de batería con tubos que son parte de un sistema de recirculación sobre el piso del recipiente de acuerdo con una modalidad de esta invención .
La Figura 8C muestra un número de módulos de batería ensamblados en un sistema de batería con tanques de recirculación inversores y 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 inferior de un montaje de estructura de celda o charola con conexiones eléctricas en el extremo de cada hilera, que están horizontalmente conectadas.
La Figura 9B muestra una estructura de celda o montaje de charola junto con uno o más céntrodos .
La Figura 10 proporciona una vista superior de cuatro celdas planas en un montaje horizontal colocado para compartir una compuerta de llenado y compuerta de salida comunes. Estas cuatro celdas adyacentemente colocadas, en un montaje horizontal, pueden ser denominadas como un "cuádrete" .
La Figura 11A muestra una vista superior de un sistema de almacenamiento de energía con una compuerta de llenado y rebosamiento, compartida, común, entre celdas, de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 11B muestra una vista lateral o una sección transversal de un sistema de almacenamiento de energía de la Figura 11A. Aquí, cada cuádrete de cuatro celdas puede estar ligeramente angulado hacia arriba para permitir más fácilmente que cualesquiera gases generados "eructados" y sean fácilmente liberados. La gravedad ayuda al flujo del agua o del electrolito líquido desde el suministro de agua del tanque de electrolito situado por arriba de las celdas, hacia las celdas individuales situadas abajo.
La Figura 12 proporciona una vista esquemática de un diseño de tres electrodos para celda de ánodo metálico eléctricamente recargable.
La Figura 13 muestra un ejemplo del voltaje de celda como una función del tiempo bajo prueba de acuerdo con una modalidad de la presente invención.
Descripción Detallada de la Invención Mientras que han sido mostradas y descritas en la presente las modalidades preferibles de la invención, será obvio para aquellos expertos en la técnica que tales modalidades son proporcionadas a manera de ejemplo únicamente. Numerosas variaciones, cambios y sustituciones ocurrirán ahora para aquellos expertos en la técnica sin apartarse de la invención. Se debe entender que las diversas alternativas a las modalidades de la invención descrita en la presente pueden ser empleadas en la práctica de la invención.
La invención proporciona las celdas de ánodo metálico eléctricamente recargables y los métodos de ensamblaje de las celdas individuales en sistemas de batería. Diversos aspectos de la invención descrita en la presente pueden ser aplicados a cualquiera de las aplicaciones particulares descritas más adelante, o para cualesquiera otros tipos de sistema de batería. La invención puede ser aplicada como un sistema o método único, o como parte de un sistema de red de electricidad/utilidad, o un sistema o método de almacenamiento de energía renovable. Se entenderá que diferentes aspectos de la invención pueden ser apreciados de manera individual, colectivamente o en combinación uno con el otro.
I. Batería de Metal-Aire Las baterías de ánodo metálico podrían incluir cualquier número de sistemas de batería que utilicen un ánodo metálico y un cátodo adecuado. El ánodo en una celda es el electrodo donde la oxidación o la pérdida de electrones ocurre. El cátodo en una celda es donde la reducción o aceptación de estos electrones ocurre. Un cátodo puede incluir materiales que por sí mismos sufren reducción electroquímica. Un cátodo puede también proporcionar una superficie o una estructura porosa donde una especie adecuada puede sufrir reducción. Como un ejemplo, el oxígeno proveniente del aire ambiental puede ser reducido sobre substratos de área superficial alta o catalítica adecuada. Las baterías de metal-aire tienen el potencial para densidades de muy alta energía a bajo costo. En consecuencia, un aspecto de la presente invención proporciona un sistema de batería de ánodo metálico que utiliza oxígeno atmosférico fácilmente disponible, como el reactante de cátodo. Las baterías de metal-aire son fuentes de energía únicas ya que uno de los reactantes, el gas oxígeno, no es almacenado dentro de la batería misma. Más bien, el gas oxígeno, el cual constituye aproximadamente 20 % del aire ambiental puede ser tomado del suministro ilimitado del aire circunvecino, como sea necesario y dejar entrar a la celda donde éste es reducido por las superficies catalíticas dentro de un electrodo en contacto con el aire. El gas oxígeno puede ser considerado como un reactante de cátodo esencialmente inagotable. Debido a que uno de los reactantes de celda, el gas oxígeno, no necesita ser llevado dentro de la celda, las características específicas tales como los pesos totales de celda, el volumen o el tamaño de las mismas pueden ser relativamente bajos y las densidades de energía (capacidades de amperio celda-hora por peso de celda dado) pueden ser más altas que para otros sistemas de almacenamiento de energía electroquímica. Otra ventaja más es el volumen y el peso pequeños ocupados por los electrodos en contacto con el aire porosos. Esta ventaja de peso y volumen da como resultado características específicas más altas del sistema (amperio-hora/kilogramo y amperio-hora/litro) en comparación a otras fuentes de energía electroquímica.
Los sistemas de batería de respiración de aire producen electricidad por el acoplamiento electroquímico de una reacción de oxidación en un electrodo metálico reactivo, el cual, durante la descarga de la celda, actúa como un ánodo (libera electrones) junto con una reacción de reducción de oxígeno (acepta electrones) en un electrodo en contacto con el aire poroso. El electrodo en contacto con el aire puede ser un miembro en forma de lámina, que tiene superficies opuestas respectivamente expuestas a la atmósfera y al electrolito acuoso de la celda. Durante la operación de la celda, el oxígeno es reducido dentro del cátodo mientras que el ánodo metálico es oxidado, proporcionando un flujo de corriente eléctrica utilizable a través del circuito externo conectada entre el ánodo y el cátodo. En algunas modalidades de la presente invención, el cátodo de aire puede ser permeable al aire pero sustancialmente impermeable al electrolito acuoso, y puede incorporar un elemento eléctricamente conductor al cual puede ser conectado el circuito externo. En una modalidad, el cátodo de aire comprende un material conductor (por ejemplo, carbono) , un catalizador agregado promotor de la disociación del oxígeno, un material polimérico hidrofóbico (por ejemplo, un material polimérico finamente dividido) , y un elemento eléctricamente conductor, opcional, para recolectar la corriente eléctrica, es decir, un recolector de corriente.
En algunas modalidades, el recolector de corriente puede comprender cualquier tipo de materiales conductores en cualquier forma o configuraciones adecuadas, incluyendo pero no limitadas a: metales expandidos, mallas, telas, espumas, láminas, alambres, tiestos, varillas, lana o cualquier combinación de los mismos.
En otras modalidades, el ánodo comprende un material de zinc (por ejemplo, zinc elemental, un óxido del mismo, una aleación del mismo o una combinación del mismo) .
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire comprende una cantidad adecuada de uno o más catalizadores de reducción de oxígeno. Los electrones libres generados a partir el ánodo de zinc (oxidación) pueden viajar a través de una carga externa hacia el electrodo en contacto con el aire poroso donde estos electrones son aceptados por la reacción de reducción, completando de este modo el circuito eléctrico.
No obstante, un inconveniente clave de estas baterías tipo metal-aire, puede ser que éstas típicamente no han sido eléctricamente recargables para un gran número de ciclos de carga y descarga. Un ciclo de descarga-carga es definido en la presente como una descarga eléctrica completa seguida por una carga eléctrica completa. En algunas modalidades, una descarga eléctrica completa puede durar aproximadamente 6 horas mientras que una carga completa de seguimiento puede durar aproximadamente 6 horas. Este ciclo de descarga y descarga de 12 horas (con la posibilidad de cargas y descargas de duración más corta para estabilizar o regular la red nacional de electricidad de utilidad) podrían ser características y esperadas para un día completo típico de servicio de respaldo sobre la red eléctrica nacional. La capacidad de recarga eléctrica puede ser necesaria o altamente deseable para cualquier batería que vaya a ser considerada para aplicaciones de red eléctrica a escala de utilidad. Las baterías metal-aire a escala grande, tradicionales no son del todo eléctricamente recargables o bien pueden únicamente ser sometidas a ciclos por menos de unos pocos cientos de ciclos de descarga-carga . Además, los sistemas tradicionales de batería metal-aire grandes no son fácilmente disponibles de manera comercial. Para ser prácticos para aplicaciones de utilidad, una batería eléctricamente recargable debe distribuir al menos 3500 a 10,000 ciclos de descarga y carga de alto desempeño con buena eficiencia de carga/descarga total. Esto corresponde a una vida aproximada de 10 a 30 años.
Dentro de una batería tipo metal -aire, el electrolito eléctricamente conductor que conecta el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire es usualmente una solución líquida (en algunas modalidades acuosa, basada en agua) que contiene sales disueltas. Se puede pensar que las baterías metal-aire combinan propiedades deseables de las celdas de combustible y las baterías: el metal (zinc) es el combustible, las velocidades de reacción pueden ser controladas al variar el flujo del aire y la pasta de metal oxidado/electrolito puede ser remplazada con metal o pasta fresca. Una ventaja de seguridad tremenda de las celdas de metal-aire es el hecho de que éstas son inherentemente a pruebas de cortocircuito. Ya que las celdas de metal-aire están limitadas por la cantidad de oxígeno que éstas continuamente extraen y utilizan del aire ambiental, éstas están limitadas al final por cuenta corriente éstas pueden producir. Cuando ocurre un cortocircuito dentro de una celda, de manera contraria a otras químicas de batería, una celda de metal-aire simplemente no suministra corriente ilimitada — la capacidad de distribución de corriente tiene un límite máximo superior. Esta es una consideración de seguridad importante. Los sistemas de batería metal-aire pueden incluir, pero no están limitados a, aluminio-aire, magnesio-aire, hierro-aire, litio-aire, sodio-aire, titanio-aire, berilio-aire y zinc-aire.
El zinc, en particular, tiene un número de ventajas sobre otros metales. Es importante señalar que cualquiera de las modalidades discutidas en otros sitios en la presente, pueden ser también aplicadas a cualquier tipo de sistema de batería de ánodo metálico que puede o no incluir zinc. Cualquier referencia al zinc como un ánodo puede también ser aplicada a cualquier otro metal adecuado, y viceversa. Cualquier referencia a las baterías de ánodo de zinc-aire o zinc puede ser aplicada a cualquier otra batería de metal- aire, u otro sistema de ánodo metálico. Además, la referencia al agua o al electrolito acuoso, no limita la discusión únicamente a los sistemas acuosos o basados en agua. Cualesquiera modificaciones discutidas aquí podrían aplicar fácilmente a cualesquiera otros líquidos y/o electrolitos adecuados .
El zinc puede ser un material ventajoso para el ánodo de la batería debido a que éste es de peso ligero, no tóxico, barato, fácilmente disponible, y tiene velocidades de reacción electroquímica rápidas para el chapado durante la carga electroquímica. Debido a esto, las celdas de ánodo de zinc han sido utilizadas como celdas primarias (desechables) y recargables (reutilizables) . Las celdas de ánodo de zinc pueden ser recargadas ya sea mecánica o eléctricamente. En las celdas mecánicamente recargables (físicamente reabastecibles) , el zinc consumido puede ser físicamente removido de una celda/batería y mecánicamente reemplazado con zinc metálico fresco. El zinc gastado puede ser procesado separadamente en un sitio diferente nuevamente a zinc metálico. Tales baterías mecánicamente recargables pueden ser utilizadas para una aplicación de almacenamiento en red de electricidad en algunas modalidades.
En modalidades preferibles, las celdas eléctricamente recargables o celdas secundarias pueden ser utilizadas. En las celdas eléctricamente recargables, más practicas, la electricidad proveniente de una fuente externa puede ser aplicada a la celda o a la batería y esta energía eléctrica puede ser convertida y almacenada como energía potencial química dentro de la celda o batería. En un tipo de celda recargable, tal como una celda de zinc-aire, cuando la electricidad proveniente de una fuente externa es proporcionada a la celda, el agua en el electrolito acuoso sufre una oxidación (pierde electrones) para generar gas oxigeno en el electrodo en contacto con el aire poroso, mientras que los iones zinc en solución pueden ser electroquímicamente redepositados (chapados) nuevamente sobre el electrodo mecánico como zinc metálico. Durante la carga electroquímica, los procesos electroquímicos que ocurren durante de la descarga de la celda son revertidos y las especies químicas originales son regeneradas y reconstituidas. Durante la carga de la celda, el electrodo de zinc, el cual durante la descarga de la celda ha sido el ánodo (había perdido electrones) , se vuelve ahora el cátodo (o electrodo que ahora gana electrones) . El electrodo en contacto con el aire, el cual durante la descarga de la celda ha actuado como el cátodo (y ha ganado electrones) funciona ahora como un ánodo (donde el agua pierde electrones y se oxida) para generar gas oxígeno. Ordinariamente, los sistemas de ánodo de zinc típicamente utilizan electrolitos acuosos basados en material alcalino. Estos electrolitos están basados en soluciones altamente caústicas, de alto pH, tales como hidróxido de potasio, KOH.
Durante la operación normal de la celda durante la descarga de la celda, el oxígeno proveniente del aire circunvecino puede ser reducido (gana electrones) mientras que el metal reactivo sufre oxidación (pierde electrones) . En las celdas de zinc-aire que contienen electrolito alcalino, por ejemplo, pueden ocurrir las siguientes reacciones de celda simplificadas: En el ánodo: 2Zn + 40H" ? 2ZnO + 2H20 + 4e~ E0 = 1.25V En el cátodo: 02 + 2H20 + 4e~ ? 40H" E0 = 0.40V Reacción completa: 2ZXn + 02 ? 2ZnO E(0cv) = 1.65V En algunos casos, los productos de reacción efectivos del ánodo no son simplemente ZnO + H20 sino más bien Zn(OH)42~. La reacción total del ánodo podría por lo tanto ser escrita como: 2Zn + 80H+ ? 2Zn(OH) 42" + 4e~ El producto de oxidación del zinc, generado, el zincato de potasio, puede permanecer en solución.
Las celdas recargables de zinc-aire que utilizan electrolitos alcalinos pueden tener un número de problemas técnicos. El primer problema es que conforme el aire entra a la celda, puede entrar C02, dióxido de carbono (normalmente presente en el aire ambiental) también reacciona lentamente con el electrolito alcalino para formar especies de carbonato insolubles. Estos carbonatos insolubles se precipitan dentro de los poros de los electrodos en contacto con el aire porosos y también en el electrolito alcalino. Este precipitado generado disminuye la conductividad eléctrica del electrolito y, debido a que los poros del electrodo en contacto con el aire están siendo bloqueados por el material insoluble, el funcionamiento del electrodo en contacto con el aire es notablemente reducido. Aunque han sido utilizados sistemas absorbedores de dióxido de carbono, C02, para eliminar (lavar) el C02 del aire entrante, el peso y complejidad agregados de tal sistema de lavado va en detrimento de las ventajas de los sistemas de ánodo metálico que utiliza un electrolito alcalino.
Además, debido a que los electrolitos alcalinos comúnmente empleados sufren de ser delicuescentes (que absorben agua del aire) en ambientes húmedos, el agua en exceso puede acumularse en estos sistemas de batería, probando que el electrodo en contacto con el aire poroso se llegue a inundar con agua. Ya que el aire (oxígeno) no puede difundirse fácilmente a través del agua, menos oxígeno puede entrar ahora y llegar a reducirse dentro del cátodo de aire poroso. Esto puede provocar que los cátodos de aire basados en material alcalino pierdan rápidamente sus propiedades activas .
Otro problema más con las celdas de zinc-aire basadas en álcali, tradicionales es que aunque la conductividad iónica y el desempeño de energía de la celda se mejoran conforme se incrementa la concentración de OH", lo hace también así la solubilidad de las especies de zinc formadas. Esto presenta un dilema de diseño de la celda. Por una parte, un pH más alto (mayor [OH"] ) es deseable para la conductividad eléctrica mejorada del electrolito y la buena capacidad de la celda. El trueque es que el pH de electrolito más alto (mayor [OH"] ) puede simultáneamente conducir a mayor solubilidad del producto de descarga de zinc formado. Esto puede dar como resultado mayores cambios de forma durante la carga de la celda — el zinc chapado no se volverá a chapar en una morfología deseada — conduciendo de este modo a un ciclo de vida más bajo. En otras palabras, en un diseño de celda típico, se puede seleccionar tener buena capacidad de celda con pobre vida de ciclo o buena vida de ciclo con pobres capacidades de celda. La combinación deseada de la buena vida de ciclo y la buena capacidad de celda no está actualmente disponible en las celdas de ánodo metálico electroquímicamente recargables.
Otro problema más con el uso del zinc en los electrolitos alcalinos típicos es que durante la carga eléctrica, el zinc chapado tiende a migrar y a redistribuirse sobre el electrodo de zinc. Después de únicamente unos pocos ciclos de carga, el zinc puede depositarse en morfologías no deseadas (por ejemplo, como depósitos esponjosos, musgosos o filamentarios , o en forma de dendritas) . Los depósitos dendríticos pueden tener crecimientos de puntos largos que sobresalen fuera de la superficie metálica chapada, normalmente lisa. Las partículas de zinc irregularmente chapadas son indeseables ya que éstas típicamente tienen más alta resistencia eléctrica y no se adhieren mecánicamente bien una a la otra. Estas partículas de zinc pueden fácilmente desprenderse en hojuelas de los electrodos metálicos para formar depósitos de zinc aislados. Todos estos factores contribuyen a una capacidad reducida de la batería y a un rendimiento de energía reducido para las baterías tradicionales de zinc-aire después de ciclos continuos de descarga y carga.
Otro reto más que enfrentan las celdas de zinc-aire que utilizan electrolitos alcalinos, es que durante la descarga de la celda, el óxido de zinc tiende a formarse sobre la superficie del zinc. Esta capa de pasivacion da como resultado un incremento en la resistencia interna de la celda y eso limita las velocidades de descarga y disminuye el funcionamiento de la celda.
II. Electrolito de la Batería De acuerdo con un aspecto de la invención, un electrolito de batería puede ser seleccionado de modo para mejorar el funcionamiento de una batería de ánodo metálico, tal como una batería de zinc-a-aire. En algunas modalidades, electrolito de batería puede ser un electrolito basado en cloruro acuoso. 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 menor. 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 ser alcalino. El pH puede ser un pH relativamente neutro. En algunas modalidades, sustancialmente no son formados carbonatos como resultado del C02 presente en el aire que reacciona con el electrolito alcalino. Esto puede ser debido a que el electrolito en los sistemas y métodos descritos en la presente no contiene cantidades significativas de iones hidróxido. Este electrolito puede permitir que el zinc sea chapado sin dendritas significativas formadas durante el chapado con poca o ninguna absorción de C02.
Una batería proporcionada de acuerdo con una modalidad de la invención puede utilizar un electrolito basado en cloruro, acuoso. Debido al menor pH del electrolito, no se absorbe dióxido de carbono (o un nivel extremadamente bajo de dióxido de carbono) desde el aire, y de este modo no se forma ningún carbonato insoluble en el electrolito o en los poros del electrodo en contacto con el aire. Además, ya que los electrolitos acuosos basados en cloruro son comúnmente utilizados en industrias de chapado con zinc para depositar depósitos de zinc lisos y bien adherentes, las eficiencias de chapado con zinc (durante la carga de la celda) deben ser notablemente mejoradas.
Un electrolito basado en cloruro, preferible en una celda de zinc-aire está de acuerdo con una modalidad de la invención. Un electrolito puede comprender una mezcla de una o más sales de cloruro solubles en solución acuosa. Las sales de cloruro solubles pueden tener un catión adecuado para producir una sal de cloruro soluble en una solución acuosa. Los cationes de las sales de cloruro adecuadas pueden incluir zinc, amonio, sodio o cualesquiera otros cationes grandes o complejos tales como amonio o alquil -amonio que pueden producir sales de cloruro estable, soluble en soluciones acuosas. Un electrolito conductor puede ser una mezcla de sales solubles basadas en sulfatos, nitratos, carbonatos, hexafluorosilicatos , tetrafluoroboratos metansulfonatos permanganato, hexafluorofosfatos , boratos o fosfatos, ya sea solo o mezclado entre sí en una solución acuosa. Si es utilizada una mezcla de electrolitos de amonio o cloruro de zinc, por ejemplo, esta nueva celda de zinc-aire puede ser descrita esquemáticamente como: Zn/ZnCl2, NH4Cl , H20/02 (Carbono) Aquí, leyendo de izquierda a derecha, zinc o una aleación de zinc adecuada puede ser el ánodo. El electrolito puede contener ZnCl2 y NH4C1 y H20. El electrodo en contacto con el aire basado en carbono poroso es donde el 02 es reducido durante la descarga de la celda y generado durante la carga de la celda.
En algunas modalidades, diversas cantidades de KOH u otros electrolitos pueden ser agregados. Tal sistema puede requerir utilizar la adición de un depurador de C02 conforme un electrolito de hidróxido de potasio absorbe el C02. Cualquier electrolito conocido en la técnica puede ser utilizado en conjunto con las modalidades de los sistemas y métodos descritos en la presente.
En algunas modalidades, el desprendimiento de oxígeno puede ser aumentado por la carga de una celda a bajas densidades de corriente. Tales densidades de corriente pueden minimizar o reducir el desprendimiento del Cl2 que puede ocurrir cuando se utilizan electrolitos basados en cloruro. Los ejemplos de tales densidades de corriente pueden incluir valores desde 1 mA/cm2 hasta aproximadamente 100 mA/cm2. Tales densidades de corriente pueden ser menores que, mayores que o 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 reacción de desprendimiento de oxígeno puede también ser aumentada por la regulación del pH del electrolito. Además, el desprendimiento de oxígeno puede ser aumentado mediante el uso de un electrodo o catalizador deliberadamente diseñado para tener un sobrepotencial bajo para el desprendimiento de oxígeno o un sobrepotencial alto para la oxidación del cloro.
En algunas modalidades, el electrodo metálico puede ser formado de zinc, puede ser zinc chapado, o puede incluir zinc en cualquier otra forma tal como una aleación o chapado sobre otro metal. De acuerdo con una modalidad de esta invención, el electrolito puede comprender una mezcla de aproximadamente 15 % de cloruro de zinc (ZnCl2) y aproximadamente 15 % de cloruro de amonio (NH4C1) en agua en % en masa. El electrolito puede comprender alternativamente una mezcla de aproximadamente 15 % de cloruro de zinc y aproximadamente 20 % de cloruro de amonio en agua por porcentaje en masa. En algunas modalidades, el electrolito acuoso puede contener diversas cantidades de cloruro de zinc y cloruro de amonio y puede también contener otras sales adecuadas 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 % de cloruro de zinc o de cloruro de amonio. En algunas modalidades, aproximadamente la misma cantidad o cantidades similares de cloruro de zinc y cloruro de amonio pueden ser proporcionadas. Otros materiales pueden ser agregados para amortiguar el electrolito. Estas podrían incluir citrato de amonio u otros amortiguadores compatibles tales como acetato de amonio, o hidróxido de amonio en 1 a 2 % en masa.
III. Electrodo en Contacto con el Aire Poroso Un electrodo en contacto con el aire estructuralmente sano, poroso (cátodo) podría ser fabricado mediante el uso de cualquier material adecuado basado en carbono. Un grupo adecuado podría incluir el negro de carbono, negro de acetileno, grafito natural o artificial, carbón activado, carbón vitreo, polímeros basados en carbono, nanopartículas de carbono funcionalizadas o no funcionalizadas (definidas aquí por tener dimensiones menores de un micrómetro) , nanotubos de carbono funeionalizados o no funcionalizados , nanofibras de carbono, fulerenos, laminas de grafeno, o cualquier otra combinación adecuada de materiales de matriz basados en carbono o materiales basados en carbono modificado. El carbono funcionalizado puede indicar que el carbono ha sido modificado para contener grupos sobresalientes enlazados de otra especie. Las especies enlazadas pueden contener grupos funcionales (por ejemplo, grupos funcionales que contienen nitrógeno o flúor) dentro de una estructura de carbono que puede ser utilizada para construir un electrodo poroso funcional. Como un ejemplo, un carbono fluorado puede tener la fórmula general CFX donde el subíndice x es en general menor de 1.0. El cátodo puede ser elaborado de compuestos o mezclas de cualquiera de estos tipos de carbono, con o sin un aglutinante adecuado para retener juntas estas partículas. A este cátodo basado en carbono puede ser agregado un catalizador de reducción de oxígeno o de oxidación de agua, adecuado.
Un aglutinante como se describe en la presente puede incluir en general material polimérico que ayuda a mantener la integridad del electrodo al introducir cohesión mecánica entre las partículas mismas del electrodo y también proporciona adhesión entre las partículas del electrodo y el recolector de corriente. Esencialmente, un aglutinante mantiene juntas las partículas del electrodo. Los aglutinantes son típicamente insolubles en los materiales presentes en una batería, y son en general inertes en el intervalo de voltajes de operación de la celda o batería. El porcentaje de aglutinante polimérico puede variar de 0.1 % a 25 %, y preferentemente de 1 % a 10 % de la masa completa del electrodo. En algunos casos, el porcentaje del aglutinante puede ser mayor que y/o menor que uno o más de los siguientes valores: 0.1 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 %, 10 %, 12 %, 15 %, 17 %, 20 %, 22 %, y/o 25 %. Una cantidad excesiva de aglutinante puede ir en detrimento de la densidad gravimétrica de la celda o batería (y en general disminuye la conductividad del electrodo) mientras que demasiado poco aglutinante en el electrodo no proporciona cohesión mecánica adecuada .
Es posible que uno o más de los materiales anteriores pueda por sí mismo servir un papel multifuncional en un sistema de batería. Estos materiales pueden comportarse no solamente como un material de soporte, es decir, una fase dispersa, conductora, de alta área superficial, sino también pueden actuar para ayudar a catalizar ya sea la reducción de oxígeno o las reacciones de oxidación de agua. Es también posible que algunos de los materiales contenidos en el electrodo en contacto con el aire participen efectivamente en las reacciones de reducción u oxidación de la celda. Al hacerlo así, éstos pueden ayudar a incrementar la capacidad de amperio-o-hora de la celda.
Los ejemplos de materiales que pueden catalizar la reacción de reducción de oxígeno podrían incluir, pero no están limitados a, materiales especiales basados en carbono o metales preciosos seleccionados, metales nobles tales como platino, paladio, oro, rutenio o rodio, o cualesquiera otros metales tales como manganeso, vanadio, cerio, bismuto, plata, cobre o hierro. Las combinaciones de estos metales pueden ser también útiles. Los ejemplos podrían incluir catalizadores binarios tales como PdPt, o Pt8Yi-x, en donde Y se selecciona del grupo que consiste de cobalto, níquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio, tungsteno, aluminio, plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x está entre 0.1 y 0.9 (por ejemplo, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9) . Los ejemplos podrían también incluir catalizadores ternarios tales como PtxMzYi_x_2 en donde M se selecciona del grupo que consiste de iridio, renio, cobalto, níquel o combinaciones de los mismos, Y se selecciona del grupo que consiste de cobalto, níquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio tungsteno, aluminio plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x + z está entre 0.1 y 0.9.
Los óxidos de metales preciosos o no preciosos adecuados (por ejemplo Ru02, Ir02, o V205) pueden ser también utilizados .
Otros catalizadores adecuados pueden incluir combinaciones de diversos metales preciosos tales como Pt0.5Au0.5 (PtAu) .
Otros catalizadores adecuados pueden incluir metales de transición tales como compuestos basados en manganeso, hierro o cobalto o vanadio, óxidos metálicos, óxidos metálicos impurificados, óxidos metálicos mixtos, porfirinas basadas en metal, o cualquier combinación adecuada de los mismos . Los materiales adecuados como aditivos de cátodo pueden también incluir diversos óxidos metálicos, calcogenuros de metales de transición, y partículas metálicas soportadas en nanotubos de carbono.
La matriz del electrodo en contacto con el aire puede también ser fabricada con materiales no basados en carbono. Cualquier material que proporcione conductividad eléctrica y sea estable en la solución electrolítica puede ser utilizada, los ejemplos pueden incluir, pero no están limitados a, compuestos de silicio o azufre (tales como Si02, SnS) , óxidos (tales como aluminosilicato, ultramarino, Al203) , o compuestos de titanio (tales como Ti407 o Ti509, o TiB2) . Pueden también ser utilizados polímeros de cadena larga no basados en carbono.
El electrodo en contacto con el aire puede ser fabricado con diversas mezclas o combinaciones de materiales basados en carbono junto con materiales no basados en carbono. El electrodo en contacto con el aire puede ser fabricado con mezclas o combinaciones de materiales basados en carbono u otros materiales descritos en la presente.
Los materiales catalíticos agregados al electrodo en contacto con el aire no necesitan funcionar solamente o simplemente como catalizadores de reducción de oxígeno o de oxidación de agua. Estos materiales pueden efectivamente tomar parte y jugar un papel (ya sea parcial o completamente) en la reacción efectiva de descarga de la celda o carga de la celda. Por sí mismos, tomando parte ya sea en una reacción de reducción o de oxidación, estos materiales pueden proporcionar efectivamente ya sea más altos voltajes de operación de carga de la celda o capacidades extendidas de amperio-hora que podrían de otro modo ser observadas en estas celdas. Estos materiales pueden también jugar un papel en la disminución de los potenciales de carga requeridos. Esta elevación del voltaje de operación de la celda, el incremento de las capacidades de la celda o disminución de los voltajes requeridos de carga de la celda, pueden conducir a mayores capacidades de celda, mejores eficiencias de ciclo de celda, más altas capacidades de energía, y vida de ciclo mejorada.
Como un ejemplo, el Mn02 es como un aditivo al electrodo en contacto con el aire puede participar efectivamente en la reacción de descarga de la celda vía un proceso denominado de doble inyección. Estos involucran la inserción o la intercalación de protones provenientes de la solución electrolítica acuosa y la reducción del óxido de manganeso por los electrodos provenientes del circuito externo. Este proceso de doble inyección podría ser expresado como : Mn02 + H+ + e" ? MnOOH Si el electrodo en contacto con el aire continúa descargándose, el MnOOH formado puede ser posteriormente reducido en el siguiente paso: MnOOH + 3H+ + e- ? Mn2+ + 2H20 Al tomar parte en la reacción efectiva, puede ser incrementada la capacidad de amperio-hora de la celda. Una característica ventajosa de los óxidos de manganeso es que éstos pueden sufrir oxidación y reducción. Mediante la oxidación de un óxido de manganeso ya reducido, el óxido de manganeso reducido puede volverse regenerado y restaurado a su antiguo estado de oxidación y ser capaz de sufrir reacciones de reducción adicionales. El oxígeno proveniente ya sea del aire o del oxígeno externo que se disuelve en el electrolito (o presente en la celda) puede ayudar a reoxidar parcialmente estos materiales durante periodos de menor velocidad de descarga o durante periodos de no descarga. Al llegar a reoxidarse, estos óxidos de manganeso pueden ser adicionalmente disponibles para continuar siendo reducidos, proporcionando de este modo capacidad adicional de la celda de amperio-hora. En un sentido, esto puede permitir que el oxígeno aumente una porción sustancial de la capacidad de descarga total de la celda.
Los posibles ejemplos de tales aditivos de electrodo de contacto que podrían tomar parte en las reacciones efectivas de reducción/oxidación pueden incluir, pero no están limitados a, los óxidos de metales de transición tales como Fe203 , Co02, Co304, Mn02, nOOH, Mn508, o CeFe204. Los óxidos basados en metales de transición pueden también proporcionar efectos benéficos ya sea al catalizar la reacción de carga de la celda o descarga de la celda o al cambiar efectivamente la reacciones de carga/descarga de la celda a través de un nuevo par oxidación/reducción o el lanzamiento de la reacción electroquímica que da como resultado más altos voltajes operacionales de la celda. Los ejemplos de otros óxidos adecuados pueden incluir la clase general de óxidos de manganeso, descritos por la fórmula general MnxOy (por ejemplo, Mn203, Mn304, o Mn508, y óxidos superiores) donde los subíndices x, y, z y w son cualquier grupo adecuado de números, tales como (l-z/2) < y/x < (2-z/2) y w < 2. Los ejemplos adicionales de otros oxi-hidróxidos adecuados pueden incluir la clase general de óxido de manganeso, descritos por la fórmula general MnxOy (OH) 2 (H20) w (por ejemplo, n203, Mn304, o Mn508, y óxidos superiores) donde los subíndices x e y son cualquier grupo adecuado de números, tales como 1 < y/x < (2-z). El manganeso puede mostrar un número de diferentes estados de oxidación. Debido a la estabilidad de estos estados de oxidación, tales como 2+, 3+ y/o 4+, cualquier composición simple de óxido de manganeso puede contener efec ivamente una mezcla estable de una variedad de diferentes óxidos, tales, por ejemplo, Mn02, Mn203, Mn304 y MnO .
Es bien sabido que las partículas de óxido de manganeso pueden ser fabricadas en diversas estructuras cristalinas. La estructura cristalina particular de un óxido de manganeso se espera que afecte las propiedades catalíticas y electroquímicas y el funcionamiento de la celda. Cuando los óxidos de manganeso utilizados ya sea solos o en combinación con mezclas físicas de otros aditivos adecuados (por ejemplo, carbono, la inclusión de otros metales tales como tungsteno o molibdeno, o por la adición de óxidos, sulfuros o boruros seleccionados tales como Pt02, Ni02, V203, V205, Nb205, Mo03 , Zn02, Sn02, Fe203, W203, C0304 , CoO, Al203, Bi203, Yb203, Ge203, Ce02, B203, ZnO, Ti02, Zr02, TiS2, o TiB2) , la combinación puede mostrar mejoramientos en el funcionamiento de la celda y estabilidad agregada, especialmente en un electrolito basado en cloruro. Otras especies adecuadas que pueden ser utilizadas solas o bien agregadas a los óxidos de manganeso, pueden incluir los óxidos de metales de transición que también contienen un metal. Los ejemplos podrían incluir sustancias tales como Mn1.5Nio.5O4, o PbMnOx, donde el subíndice x podría ser cualquier número adecuado, tal como 2 x 8 (por ejemplo, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0 8) . Otros ejemplos de posibles materiales solitarios para los electrodos en contacto con el aire o como aditivos al electrodo en contacto con el aire pueden incluir óxidos de metal de transición que pueden también contener átomos del grupo de los lantánidos, ya sea solos o en combinación con otros materiales (por ejemplo, LaMn03 o LaMn03+a) , donde el subíndice a puede tener valores adecuados, tales como a = l o O < a = l (por ejemplo 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0) .
Otro grupo de materiales puede incluir compuestos que contienen un átomo del grupo de los lantánidos, un metal y un óxido de metal de transición. Estos compuestos pueden tener la fórmula general LaMxMnyOz, donde La representa un elemento lantánido adecuado, M representa un metal adecuado y Mn representa manganeso. Los subíndices x, y, y z pueden ser números adecuados elegidos de modo que el compuesto sea eléctricamente estable, tal como 0 < x < 1, x + y = 1, 3 < z < 4. Los ejemplos de esta clase de compuestos podrían incluir, pero no están limitados a compuestos tales como: LaNio. 5Mno . 5O3 , LaCuo. 5Mno . 5O3 , La0.8Sr0 . 2MnO3 La2/3Cai3Mn03 , o Lai/2Sri/2Mn03.
Otros ejemplos de aditivos adecuados al electrodo de oxigeno incluyen los compuestos que tienen la fórmula general MnxMyOz, donde Mn representa manganeso, M es un metal adecuado (por ejemplo seleccionado del grupo de bismuto, indio, itrio, iterbio o niobio) , O representa oxígeno y los subíndices x y, y z son números adecuados, tales como 0 < x < 1, x + y = 1, 1 < z < 4.
Otro ejemplo más de aditivos adecuados al electrodo de oxígeno incluyen los compuestos que tienen la fórmula general MnxMyAzOAHb donde Mn representa manganeso en su estado de oxidación +4, +3 o +2 o en un estado de oxidación fraccional entre +4 y +2, M es un metal o metal de transición adecuado que puede estar en un estado de oxidación de 4+, 3+, o 2+, tales como plomo, estaño, germanio, titanio, circonio, boro, aluminio, indio, bismuto, cobre, zinc, níquel, cobalto, hierro, molibdeno, itrio, escandio, niobio, iterbio, A es un metal alcalino o alcalinotérreo adecuado, y H es un halógeno adecuado. Los subíndices x, y, z, A, y B son tales que el compuesto es eléctricamente neutro, tal como para el metal M en un estado de oxidación 4+, y Mn en un estado de oxidación 4+ , 4x4y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidación 3+, y Mn en un estado de oxidación 4+, 4x3y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidación 2+ , y Mn en un estado de oxidación 4+4x2y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidación 3+, y Mn en un estado de oxidación 3.5+3.5x3y+z+b=2a, como para el metal M en un 4+ estado de oxidación y Mn en un estado de oxidación 3+4y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidación 3+, y Mn en un estado de oxidación 3+3x3y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidación 2+ , y Mn en un estado de oxidación 3+3x2y+z+b=2a, como para el metal M en un estado de oxidación 4+, y Mn en un estado de oxidación 2+2x4y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidación 3+, y Mn en un estado de oxidación 2+2x3y+z+b=2a, tal como para el metal M en un 2+ estado de oxidación y Mn en un estado de oxidación 2+2x2y+z+b=2a, por ejemplo, tales compuestos pueden ser Mn0.97Bio.o302H, Mno.97Bio.03Nao.03O2Ho.97.
Otro posible tipo podría incluir un metal de transición adecuado, un metal alcalino o alcalinotérreo adecuado, y que incluye un grupo fosfato. Esta clase general de compuestos puede tener la fórmula general AxMyP04 donde A es un metal alcalino o alcalinotérreo, y M es un metal de transición adecuado. Los subíndices x e y son tales que el compuesto es eléctricamente estable, tal como x+2y=3. Los ejemplos de esta clase de compuestos podrían incluir LiMnP04, L1C0PO4, y LiFeP04.
Cualquiera de los aditivos o catalizadores descritos o listados anteriormente (ya sea solo, en combinación, o junto con otros materiales adecuados listados anteriormente) pueden funcionar ya sea para catalizar las reacciones de reducción del oxígeno u oxidación del agua para generar oxígeno. Además, todos los posibles aditivos de cátodo listados anteriormente pueden también actuar para proporcionar un nuevo mecanismo o vía de reacción de descarga o carga, donde estos materiales mismos están sufriendo una reacción de reducción u oxidación, contribuyendo de este modo directamente al número de coulombios transferidos durante la reacción de la celda. Estos materiales pueden también funcionar como una lanzadera electroquímica. Por ejemplo, un material puede por sí mismo sufrir reducción durante la descarga de la celda y luego reoxidarse (y estar disponible para las reacciones de reducción posteriores) , por medio de reacciones colaterales con el oxígeno o cualquier otro agente oxidante adecuado, presente en la celda. El oxígeno u otro agente oxidante podría estar ya sea disponible desde el aire externo o bien presente en una forma disuelta (tal como oxígeno disuelto) dentro del electrolito líquido. Esta reacción de "recarga" asistida por oxígeno podría ayudar a elevar los voltajes de carga de la celda, incrementar las capacidades de celda, o disminuir los voltajes de carga de la celda .
Al sufrir cambios de valencia durante la oxidación/reducción de la celda, estos aditivos/catalizadores pueden sufrir reducción u oxidación. Esta reacción de reducción y oxidación puede conducir a celdas que tienen dos mesetas de voltaje después de la carga/descarga de la celda. Una meseta de voltaje podría ser debida a las reacciones ordinarias de la celda de zinc-aire que tienen lugar durante la carga/descarga. La otra meseta de voltaje podría ser debida a la oxidación/reducción ya sea del aditivo mismo o de una lanzadera de reacción acoplada en la cual el aditivo, o porciones del aditivo, toman parte.
Cualquiera de los aditivos o catalizadores listados anteriormente pueden estar involucrados en más de uno de los mecanismos de reacción anteriores. Un catalizador dado puede actuar ya sea como un catalizador directo para la oxidación del agua o la reducción del oxígeno, mientras que simultáneamente, o a un tiempo posterior, actúa como una lanzadera de reducción u oxidación electroquímica para elevar efectivamente el potencial de la celda bajo carga, para incrementar la capacidad de amperio-hora de la celda, y/o para disminuir los potenciales de carga de la celda. El par de reducción y oxidación particular no necesita involucrar únicamente el material seleccionado y el oxígeno. Otros agentes reductores (ya sea presente en la celda misma, o introducidos desde la parte externa) pueden ser efectivamente utilizados .
Cualquiera de estos diversos aditivos o catalizadores descritos anteriormente (por ejemplo un óxido de manganeso) podrían por sí mismos sufrir posiblemente las reacciones de oxidación/reducción mediante la formación de un intermediario de reacción con cualquier componente de celda adecuado, ya sea normalmente presente en la celda o el electrolito, o formado en la celda o el electrolito ya sea durante la carga o la descarga. El aditivo puede también sufrir posiblemente reacciones de oxidación y/o reducción por la formación de un intermediario de reacción con cualquier producto formado en la celda ya sea durante la carga de la celda o durante la descarga de la celda.
Como un ejemplo, el gas oxígeno presente en la celda puede reoxidar el compuesto reducido. Esta especie recién oxidada puede estar luego fácilmente disponible para sufrir adicionalmente las reacciones de reducción subsecuentes en la celda. Esto puede tener el efecto de extender la capacidad de amperio-hora de la celda. Esta reoxidación de uno de los componentes reducidos de la celda, por el oxígeno, puede ocurrir ya sea mientras que la celda está en descanso, es decir no está siendo descargada, o puede ocurrir incluso durante la descarga a velocidad baja donde la reoxidación del oxígeno es capaz de competir con las velocidades de descarga de la celda y reoxidar el material después de que éste es reducido en la reacción de la celda.
El agente oxidante que ayuda a regenerar el material de cátodo no necesita ser oxígeno. Este podría ser cualquier agente oxidante adecuado que esté presente en la celda, el electrolito, o introducido desde afuera de la celda .
Los ejemplos de agentes oxidantes podrían incluir KMn04, N20, otros compuestos de manganeso adecuados, o cualesquiera otros compuestos adecuados que se sepa sufren cambios del número de oxidación en solución. En particular, se sabe que los compuestos de vanadio y de hierro existen en diversos estados de oxidación y sus pares de reducción y oxidación bien conocidos pueden comportarse como una lanzadera de reducción y oxidación en este sistema, para ayudar a reoxidar los aditivos seleccionados del electrodo en contacto con el aire.
Durante la descarga de la celda bajo corriente constante, dos regímenes de voltaje de descarga pueden aparecer. Un nivel de voltaje, más bajo, podría ser debido a las reacciones de descarga ordinarias (por ejemplo, reducción del oxígeno) que ocurre normalmente en una celda de zinc-aire. El otro nivel de voltaje más alto durante la descarga de la celda, podría ser debido a que el catalizador y/o el aditivo que sufre un par separado de oxidación/reducción. Esto puede tener el efecto de prolongar la reacción de descarga de la celda, incrementando de este modo la capacidad de amperio-hora de la celda. En algunos casos, pueden aparecer cualquier número de regímenes de voltaje de descarga múltiples.
Es también posible tener un escenario donde mesetas de voltaje de nivel más alto durante la descarga de la celda podrían ser debidas a la combinación normal de dos medias reacciones de la celda: una oxidación de metal y reducción de oxígeno mientras que la segunda meseta de voltaje, más baja, podría ser debida a la reacción de oxidación de metal y una reducción, del aditivo mismo. Esto podría también tener el efecto general de prolongar la reacción de descarga de la celda, incrementando de este modo la capacidad de amperio-hora de la celda.
Símilármente, durante la carga de la celda bajo corriente constante, pueden aparecer dos regímenes de voltaje de carga. Un nivel de potencial más alto durante la carga eléctrica en una celda de zinc podría ser debido a reacciones ordinarias que ocurren en el electrodo en contacto con el aire durante la carga de la celda de zinc-aire (es decir, el agua que es oxidada para formar el gas oxígeno) . La otra carga, del nivel de voltaje de carga más bajo, podría ser debida al catalizador o al aditivo que sufre una reacción de oxidación separada. En algunos casos, pueden aparecer cualquier número de regímenes múltiples de voltaje de carga.
Es también posible tener un escenario donde una meseta más baja de voltaje de carga sea debida al par normal de reducción y oxidación del zinc y el aire mientras que la meseta de voltaje más alto es debida a la oxidación del aditivo del electrodo en contacto con el aire, específico.
El grado y la capacidad de amperio-hora de la celda debido a estas nuevas mesetas de voltaje de descarga más altas o la carga de amperio-hora disminuida, requeridas, podrían depender de la cantidad del aditivo presente. Ya que el aditivo puede tomar parte en la reacción de descarga y/o carga misma, la duración de esta meseta de voltaje adicional podría por lo tanto depender de la cantidad del aditivo presente .
Los mejoramientos en el grado y la capacidad de amperio-hora de la celda pueden también ser principalmente independientes de la cantidad del aditivo y confiar en un alto grado en una o más reacciones lanzadera donde la especie de interés que está siendo oxidada o reducida es cont nuamente regenerada en la celda.
Durante la descarga de la celda, el oxígeno proveniente del aire puede entrar a la celda a través de un electrodo en contacto con el aire poroso y puede sufrir la reducción de oxígeno en sitios de catalizar específicamente diseñados en o sobre el electrodo en contacto con el aire. El electrodo en contacto con el aire puede ser ya sea un electrodo basado en carbono o bien puede estar basado en otros materiales adecuados. Mientras tanto, en el electrodo metálico (el cual puede ser zinc) el zinc entra en solución como iones zinc solubles. En presencia de un electrolito basado en cloruro, el cloruro de zinc puede ser algo soluble en el electrolito acuoso. Conforme continúa la descarga de la celda y más iones zinc son creados en solución, el límite de solubilidad del cloruro de zinc puede ser excedido. Esto puede provocar que algo del cloruro de zinc sea precipitado. Los métodos para enfrentar la precipitación de acuerdo con una modalidad de la invención serán descritos con mayor detalle más adelante. Durante la carga de la celda, ocurre una reacción electroquímica inversa. El oxígeno gaseoso es generado a partir de la oxidación del electrolito líquido en el electrodo en contacto con el aire mientras que el zinc metálico puede ser regenerado (chapado) nuevamente sobre el electrodo de zinc.
Un proceso simplificado de descarga/carga en el electrolito de cloruro, el cual puede tener un pH de aproximadamente 6, puede ser descrito por las siguientes reacciones : Durante la Descarga de la Celda Reacción del cátodo: 2H+ + l/202 + 2e~ ? H20 Reacción el ánodo: Zn —> Zn2+ + 2e~ Durante la Carga de la Celda Reacción del cátodo: H2 + 2C1 ? 2HC1 + l/202 + e" Reacción del ánodo: ZnCl2 + 2H+ '+ 2e Zn + 2HC1 Las especies de zinc formadas durante la descarga de la celda en un electrolito de cloruro de amonio podrían ser más precisamente descritas como Zn(NH3)2Cl2.
En el electrodo en contacto con el aire, el oxígeno gaseoso obtenido del aire ambiental puede entrar a la celda a través de una membrana hidrofóbica, permeable al aire. Durante la carga de la celda, el oxígeno gaseoso puede ser producido vía la electrólisis del agua (oxidación) en el electrodo en contacto con el aire poroso.
Un efecto colateral de utilizar electrolitos acuosos basados en cloruro en las tecnologías de batería de zinc-aire, recargables, es que durante la carga de la celda (bajo potenciales anódicos) , puede ocurrir posiblemente una reacción parásita no deseada que involucra el desprendimiento 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, ya que puede disminuir las eficiencias generales de carga de la celda. Esto es debido a que la energía eléctrica puede generar cloro (reacción no deseada) en lugar del desprendimiento de oxígeno (reacción deseada) . Por lo tanto, puede ser deseable que el sistema de batería sea diseñado de modo que durante la carga de la celda, los potenciales anódicos favorezcan el desprendimiento del oxígeno y reduzcan al mínimo el desprendimiento de cloro. (2) 2H20 ? 4H+ + 02(g) + 4e~ EO = 1.23 V El desprendimiento de oxígeno (reacción 29) con su potencial de oxidación más bajo (1.23 voltios) podría esperarse que ocurra predominantemente debido a que es termodinámicamente favorecido sobre el desprendimiento de cloro (reacción 1) con un potencial de oxidación más alto de 1.36 Voltios. Sin embargo, cada reacción tiene un sobrepotencial . El término "sobrepotencial" se refiere a la cantidad de voltaje (por arriba del potencial teórico) necesario para provocar que una reacción particular efectivamente ocurra. Esto significa que el desprendimiento de cloro es una reacción química mucho más simple y tiene un sobrepotencial más bajo que el que tiene la oxidación del agua a 02 (g) . Esto significa que en ambientes de cloruro acuosos, el desprendimiento no deseable del cloro puede efectivamente ocurrir más probablemente que el desprendimiento de oxígeno.
El cloro generado durante la carga de la celda puede disolverse en agua para formar ácido hipocloroso, HC10. Los iones hipoclorito podrían entonces descomponerse en cloruro, varias especies de cloro, oxidadas, conocidas, o incluso liberar gas cloro disuelto, dependiendo de las condiciones. Incluso aunque el gas cloro perse no permanece intacto, esta reacción puede todavía ser indeseable en la celda, ya que disminuye las eficiencias de carga completas.
Existen un número de maneras prácticas para minimizar o reducir el desprendimiento de cloro no deseable (o de hipoclorito) (o mejorar las eficiencias de generación de oxígeno) . Ya que el desprendimiento de oxígeno es favorecido bajo las condiciones de baja densidad de corriente, una posibilidad puede ser disminuir las densidades de corriente de carga para favorecer así el desprendimiento de oxígeno (en vez de cloro) . En algunas modalidades, las densidades de corriente de carga deseables pueden ser de aproximadamente 10 mA/cm2 hasta aproximadamente 200 mA/cm2 y pueden ser variadas dependiendo de la aplicación hasta la corriente de carga o descarga máxima que la batería tolerará.
Otro procedimiento puede ser regular el pH del electrolito. A ciertos valores de pH, la generación de oxígeno puede ser más favorecida que el desprendimiento de cloro. Un pH más alto favorece el desprendimiento de 02 sobre el desprendimiento de Cl2. El electrolito puede estar ligeramente elevado y amortiguado por la adición de hidróxido de amonio o citrato de amonio. El desprendimiento de cloro es favorecido por debajo de un pH de 2. Mientras que el cloruro de amonio actúa como un amortiguador de pH en este sistema, la adición de hidróxido de amonio acuoso podría elevar el pH del electrolito sin afectar de manera adversa la conductividad del electrolito u otras propiedades de funcionamiento .
Otro procedimiento puede ser utilizar los electrodos en contacto con el aire o los catalizadores seleccionados en el electrodo en contacto con el aire que tienen sobrepotenciales altos para el desprendimiento de cloro y/o sobrepotenciales muy bajos para el desprendimiento de oxígeno. De esta manera, durante la carga de la celda, es favorecido el desprendimiento de oxígeno. Esto puede ser logrado ya sea mediante la modificación de las superficies del electrodo (como se discutirá con mayor detalle más adelante en la presente) , o por la adición de materiales como el Mn02, los cuales son bien conocidos por tener bajos sobre- potenciales para el desprendimiento de oxígeno. De manera similar, la adición de diversas sales de electrolito ha mostrado que minimiza el desprendimiento de cloro. Los ejemplos de tales sales o productos químicos pueden incluir cloruro de cobalto, óxido de iridio (Ir02) o sales de manganeso solubles. Adicionalmente , existen aditivos solubles en agua tales como urea que se sabe reaccionan con el cloro, si éste es formado, para producir gases fácilmente ventilados, no tóxicos.
Se debe entender, no obstante, que el electrolito alcalino puede ser utilizado como parte del sistema descrito en la presente si el dióxido de carbono es primeramente eliminado del aire entrante. Si esto ocurre, podrían todavía ser realizados todos los beneficios de una celda como se describe en la presente.
IV. Celda de Zinc-Aire con Tercer Electrodo Un aspecto de la invención se refiere a una batería reversible o recargable, tal como una celda de zinc-aire, que tiene un electrodo de zinc y un cátodo basado en carbono para la reducción electroquímica del gas oxígeno. Este tipo de cátodo puede también ser conocido como un cátodo de aire ya que el oxígeno que es químicamente reducido, es típicamente obtenido del aire ambiental .
En las celdas de metal-aire, eléctricamente recargables, limitadas, tradicionales, se espera que los electrodos en contacto con el aire realicen dos funciones opuestas pero distintas (por lo tanto el nombre ocasional electrodo en contacto con el aire bifuncional) . Una primera función del electrodo bifuncional es permitir que ocurra la reducción del oxígeno durante la descarga de la celda. Una segunda función del electrodo bifuncional es permitir el desprendimiento de oxígeno gaseoso durante la carga de la celda .
Ya que un electrodo en contacto con el aire bifuncional sirve múltiples propósitos diversos (por ejemplo, una reducción y oxidación) , existen varios retos para estos electrodos en contacto con el aire. Primeramente, existe únicamente un puñado de materiales conductores que no se corroerán fácilmente en los electrolitos acuosos bajo estos cambios amplios en el potencial eléctrico aplicado. Esta corrosión es especialmente prevalente cuando se tratan electrolitos de cloruro acuoso. Esto hace considerablemente más retadora la selección de un recolector de corriente de electrodo en contacto con el aire. En segundo lugar, la generación de burbujas de gas oxígeno durante la carga de la celda puede introducir presión y tensiones mecánicas en la estructura porosa del carbono, las cuales tienden a debilitar este electrodo en contacto con el aire poroso.
Un posible procedimiento es no requerir que el mismo electrodo en contacto con el aire poroso realice las reacciones de reducción de oxígeno y/o de generación de oxígeno. Más bien, en algunas modalidades, un electrodo tercero o auxiliar puede ser proporcionado en una celda, en lugar del electrodo en contacto con el aire estándar. Este electrodo auxiliar puede realizar exclusivamente únicamente una función: por ejemplo, únicamente una generación de carga de celda y del oxígeno asociado, o únicamente la descarga de la celda y la reducción de oxígeno. De este modo, un electrodo en contacto con el aire puede ser proporcionado exclusivamente para la reducción del oxígeno durante la descarga de la celda, mientras que un segundo electrodo en contacto con el aire, auxiliar podría ser diseñado y utilizado exclusivamente para la oxidación del agua y la generación de oxígeno durante la carga de la celda. El electrodo auxiliar diseñado para la generación de oxígeno puede estar situado ya sea entre el electrodo en contacto con el aire normalmente utilizado y el electrodo metálico, o situado sobre ambos lados del electrodo metálico. Ya que un electrodo auxiliar podría usualmente ser utilizado únicamente durante la recarga de la celda y la generación de oxígeno, éste podría entonces ser optimizado para la recarga (producción de oxígeno) por medio de catalizadores optimizados para la producción de oxígeno mientras que el electrodo en contacto con el aire tradicional podría ser optimizado para la descarga (reducción de oxígeno) .
La Figura 12 muestra un ejemplo de esta nueva configuración de electrodo. La Figura 12 proporciona un esquema de un diseño de tres electrodos en una celda de zinc-aire eléctricamente recargable. Aquí, un electrodo en contacto con el aire poroso tradicional (AA) y un electrodo de zinc sólido (CC) están separados por el electrolito líquido. Un tercer electrodo auxiliar (BB) , el cual es únicamente utilizado durante la carga de la celda, y eléctricamente aislado del electrodo AA, puede estar situado entre el electrodo CC y el electrodo AA. En algunas modalidades, el electrodo auxiliar BB puede ser eléctricamente aislado del electrodo AA ya sea por un aislador o por un espacio vacío.
El electrodo AA puede ser un electrodo en contacto con el aire de carbono, poroso, estándar, o cualquier otro tipo de electrodo en contacto con el aire que sea diseñado y optimizado para la reducción del oxígeno. El electrodo CC puede ser un electrodo de zinc metálico, o cualquier otro electrodo metálico o ánodo como se describe en otro sitio en la presente. En algunos casos, el tercer electrodo, el electrodo auxiliar (BB) , podría ser únicamente utilizado durante la carga de la celda. Los materiales adecuados utilizados para fabricar este electrodo auxiliar podrían incluir, pero no están limitados a, un metal, óxido metálico, o carbono fabricado en una malla, lámina metálica, tamiz o espuma, cable, metal expandido o podría ser metal prensado o sinterizado, carbono o un óxido metálico adecuado.
Durante la descarga de la celda, los electrodos AA y CC son conectados y las corrientes eléctricas son producidas.
Durante la carga de la celda, los electrodos BB y CC pueden ser automát camente conectados al circuito vía un interruptor eléctrico. Las corrientes eléctricas provenientes de un circuito externo pueden ser aplicadas a través de estos electrodos para generar gas oxígeno a partir de la solución acuosa .
Mediante el uso de un arreglo de electrodo auxiliar, un electrodo diferente (posiblemente más barato y más eficiente) dedicado a la porción de carga de la operación de la celda, puede ser obtenido. 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 que en las celdas tradicionales. El oxígeno proveniente del aire ambiental puede ser electroquímicamente reducido por los electrones generados en el electrodo de zinc.
Antes de la carga de la celda, el electrodo AA puede ser desconectado del circuito que lo conecta al electrodo metálico CC (por ejemplo, el electrodo de zinc) y el tercer electrodo auxiliar (BB) puede ser automáticamente eléctricamente conmutado en el circuito de la celda y conectado al electrodo metálico CC. Ahora, durante la carga, los electrodos BB y AA son eléctricamente conectados y utilizados. El electrodo auxiliar BB puede ser especialmente configurado en un formato que tiene áreas superficiales incrementadas . Estos recolectores de corriente podrían estar en la forma de una malla, placas porosas, alambres, tamices, espuma, polvo prensado o sinterizado, nanopartículas , tiras u otras estructuras de área superficial abierta y/o alta, adecuadas. Aquí, el área superficial puede ser considerablemente más grande que aquella de su huella digital geométrica. Esto podría permitir el mejor contacto con el electrolito de modo que la generación de oxígeno puede ocurrir más fácilmente. La naturaleza porosa de este electrodo está diseñada para permitir que el electrolito fluya al través y podría también permitir que el gas oxígeno generado escape fácilmente. Ya que el gas 02 es generado únicamente en este electrodo auxiliar poroso, el electrodo de reducción de oxígeno AA no será dañado.
Este tercer electrodo auxiliar puede también ser diseñado para contener catalizadores específicos para aumentar el desprendimiento de 02 (catalizadores que tienen bajos sobre-potenciales para la generación de oxígeno) . Además, este tercer electrodo puede ser luego protegido de las corrientes inversas durante la descarga de la celda, mediante el uso de diodos de interrupción que únicamente permiten que este electrodo sea utilizado durante la carga de la celda.
Después de que la celda ha sido completamente cargada, el tercer electrodo (de carga) BB puede ser eléctricamente desconectado del conjunto de circuitos de la celda y el electrodo metálico estándar CC y el electrodo en contacto con el aire tradicional AA pueden ser reconectados.
Durante la descarga de la celda, el electrodo en contacto con el aire AA y el electrodo metálico CC pueden ser eléctricamente conectados.
Durante la carga de la celda, el electrodo en contacto con el aire BB y el electrodo metálico CC pueden ser eléctricamente conectados.
Cualquier mecanismo de interrupción o conexión/desconexión eléctrica conocido en la técnica puede ser utilizado para proporcionar las conexiones deseadas durante la carga y la descarga. Tales conexiones pueden ser realizadas en respuesta a las instrucciones proporcionadas por un controlador.
El electrodo en contacto con el aire de recarga puede ser hecho: 1. Más grande que el electrodo en contacto con el aire de descarga para permitir la recarga rápida a menores densidades de corriente. 2. Más pequeño que el electrodo en contacto con el aire de descarga para ocupar menos volumen y no bloquear el electrodo en contacto con el aire.
V. Hidruros Metálicos como un Ánodo de Batería En algunas modalidades de la invención, el hidruro de titanio, TiH2, puede ser un material adecuado de electrodo metálico/ánodo en la batería horizontalmente configurada, actualmente descrita.
De manera contraria a otras aleaciones de almacenamiento de hidrógeno, de metal del tipo AB5 tales como LaNi5, polvo de titanio y su hidruro podrían ser más baratos y tener más altas densidades de energía. También, de manera contraria a otros electrodos metálicos que se disuelven cuando sufren oxidación, el TiH2 no se disuelve después de su oxidación. El TiH2 simplemente se vuelve titanio metálico, sólido .
Como un ánodo, durante el ciclo de descarga de la celda, el TiH2 puede liberar dos protones y dos electrones para formar titanio metálico. Durante la carga, dos protones y dos electrones pueden ser regresados al titanio metálico y el TiH2 puede ser formado nuevamente. Las reacciones de descarga/carga podrían ser: Descarga: TiH2 ? Ti + 2H+ + 2e~ Carga: Ti + 2H+ + 2e~ ? TiH2 Los hidruros metálicos típicos se deterioran después de numerosos ciclos de descarga/carga debido a las tensiones mecánicas inducidas. Esto puede provocar decrepitación y polvos de metal y de hidruro metálico de tamaño más pequeño que se forman. Estos polvos de tamaño más pequeño no se adhieren bien entre sí, dando como resultado conductividad eléctrica disminuida y pobre funcionamiento de la celda. No obstante, en conjunto con el diseño de celda configurada horizontalmente, actualmente propuesto, como es proporcionado más adelante en la presente, donde los electrodos metálicos están horizontalmente colocados, la acción de la gravedad puede ayudar incluso a que el polvo de Ti y TiH2 finamente dividido se asiente nuevamente hacia el recolector de corriente debajo. Incluso si los electrodos metálicos están ligeramente inclinados, la gravedad debe no obstante permitir que los polvos de Ti y TiH2 se sedimenten nuevamente sobre el recolector de corriente de una manera relativamente estable o uniforme. Ya que los polvos de TiH2 y Ti permanecerán en contacto íntimo consigo mismos y con el recolector de corriente, este electrodo metálico puede continuar sufriendo oxidación y reducción con buena eficiencia .
El polvo de titanio puede también ser modificado por tratamiento vía cualquiera de los diversos procesos de tratamiento propuestos en la presente, para hacer al titanio más eléctricamente conductor.
El hidruro de titanio puede funcionar como una batería estándar o como una batería de titanio-hidruro-aire . Las características o porciones de la discusión relacionada a los electrodos de hidruro de titanio pueden también aplicar a las baterías de zinc-aire o a otras baterías de ánodo metálico y viceversa.
VI. Configuración/Orientación de Celda Horizontal De acuerdo con otro aspecto más de la invención, un sistema de batería de ánodo metálico, tal como un sistema de batería de zinc aire, puede tener una configuración de celda horizontal. La Figura 1 muestra las celdas de zinc-aire recargables acomodadas en una orientación horizontal de acuerdo con una modalidad de la invención. El sistema de batería puede incluir estructuras de plástico 100a, 100b un electrodo en contacto con el aire 102, 102b, un electrodo metálico 104a, un electrolito 106a, 106b, y un túnel de flujo de aire 108a, 108b. En algunas modalidades, un electrodo en contacto con el aire 102a, 102b, puede incluir una membrana hidrofóbica 110, carbono y catalizador 112, titanio expandido 114, y carbono conductor 116. El electrodo en contacto con el aire puede funcionar como un cátodo durante la descarga de la celda. El electrodo metálico funciona como un ánodo durante la descarga de la celda. En otras palabras, durante la descarga de la celda el electrodo en contacto con el aire funciona como un cátodo mientras que el electrodo metálico funciona como un ánodo. Durante la carga de la celda, los papeles se invierten. El electrodo en contacto con el aire de carbono poroso funciona ahora como un ánodo (pierde electrones) mientras que el electrodo metálico funciona ahora como un cátodo (gana o acepta electrones) . En algunas modalidades, un sistema de celda de batería de ánodo metálico puede comprender un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y una solución acuosa de electrolito. En algunas modalidades, el electrolito puede tener un pH dentro del intervalo de aproximadamente 3 a 10.
En algunos ejemplos, una estructura de plástico aislante, puede ser formada de diversos plásticos, incluyendo pero no limitados a Noril, 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 los mismos. En algunas modalidades, el plástico utilizado para formar una estructura puede ser elegido por su capacidad para tolerar la alta temperatura, es decir, un punto de ebullición tan alto como sea posible del electrolito. En algunas modalidades, el plástico utilizado para formar una estructura puede ser moldeable por inyección. Una estructura de plástico elaborada a partir del plástico moldeado por inyección tal, pero no limitado a Noryl , puede ser diseñada para sujetar el electrodo de zinc sólido (mostrado sobre el fondo de la celda) y un electrodo en contacto con el aire. El electrodo de zinc sobre el fondo de la celda puede ser separado de una malla recolectora de corriente, de titanio metálico expandido (incrustado dentro de la parte inferior del electrodo en contacto con el aire de carbono, poroso, por una distancia fija. Este espacio de separación entre el electrodo de zinc (electrodo metálico/ánodo) y el recolector de corriente de malla de titanio para el electrodo en contacto con el aire/cátodo es rellenado con la solución de electrolito de cloruro acuosa, eléctricamente conductora.
La estructura 100a puede rodear una celda. Un electrodo en contacto con el aire 102a puede ser proporcionado como una capa superior de una celda. Un electrodo metálico 104a puede ser proporcionado como una porción intermedia de una celda. Un túnel de flujo de aire 108b puede ser proporcionado entre el electrodo metálico 104a de una primera celda y un electrodo en contacto con el aire 102b de una segunda celda. Un electrolito 106a puede ser proporcionado dentro de la celda. El electrolito 106a puede estar contenido por la estructura 100a y también por la capa 104a de electrodo metálico. En modalidades alternativas, las posiciones del electrodo en contacto con el aire y del electrodo metálico pueden ser cambiadas de modo que un electrodo metálico puede ser proporcionado como una capa superior, y un electrodo en contacto con el aire puede ser proporcionado como una porción intermedia.
En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire poroso puede ser un electrodo de cátodo de oxígeno basado en carbono o un electrodo de oxígeno basado en polímero que tiene una membrana catalítica hidrofóbica, permeable al aire, y/o un recolector de corriente resistente a la corrosión, en donde durante la carga eléctrica bajo potenciales anódicos, puede ser favorecido el desprendimiento de oxígeno. Los electrodos en contacto con el aire pueden también incluir cualesquiera materiales conocidos en la técnica.
En algunas modalidades, el tratamiento con plasma gaseoso a baja temperatura puede ser utilizado para mejorar notablemente la adhesión de los metales a diversos plásticos. El plasma gaseoso ha mostrado que mejora la adhesión de los metales depositados por vapor a diversas superficies poliméricas. Mediante el tratamiento de las superficies poliméricas con diversos plasmas de gas antes de la aplicación de adhesivos estructurales, puede ser formada una unión más fuerte, más durable. Los ejemplos de plasmas de gas deseables pueden incluir 02 mezclas de CF4/02, o N2. Se espera que tal tratamiento mejore la adhesión de una estructura de plástico a un electrodo metálico. Ya sea en una celda simple o en diseños de múltiples celdas, pueden existir un número de sitios dentro de las pilas de celdas donde una superficie de plástico está adhesivamente unida a una superficie metálica con adhesivos estructurales. Este sello de duración más larga podría traducirse en una celda de vida más prolongada.
Existen un número de ventajas distintas para tener una orientación de electrodo horizontal. Primeramente, una configuración horizontal puede permitir que las celdas sean rápidamente y de manera no costosa, ensambladas a partir de recipientes o estructuras de plástico moldeadas por inyección. Otra ventaja más es que no es necesario ningún separador de batería no poroso. En la mayoría de las baterías, las membranas de separación son a menudo costosas y la perforación de esta membrana es también el modo de falla clave de estas características. Al eliminar una necesidad para un separador de batería poroso, las celdas horizontalmente orientadas pueden ser fabricadas y utilizadas de manera más barata y más confiable. En algunas modalidades, un electrolito líquido dentro de una celda particular puede hacer contacto directamente con un electrodo metálico de esa misma celda. En algunas modalidades, el electrolito metálico puede o no hacer contacto directamente con el electrodo en contacto con el aire poroso de la celda. Ninguna capa de separación necesita ser proporcionada entre el electrolito líquido y el electrodo metálico. En algunas modalidades, ninguna separación o capa de separación puede ser proporcionada entre el electrolito líquido y el electrodo metálico y/o el electrodo en contacto con el aire. Por ejemplo, una celda de batería de ánodo metálico recargable puede ser proporcionada, es decir que tiene un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y un electrolito acuoso entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire, en donde el electrodo en contacto con el aire puede hacer contacto directamente con el electrolito y no se proporciona ningún separador entre el electrodo en contacto con el aire y el electrolito.
La eliminación de una membrana de separación entre el metal y el electrodo en contacto con el aire es una clave para disminuir los costos de la batería a niveles accesibles, y para ayudar a prolongar la vida del ciclo de la batería de modo que ésta se vuelve adecuada para el uso de utilidad. Mediante la orientación de las celdas de modo que un electrodo metálico está sobre la porción inferior, la gravedad ayuda a mantener los metales chapados libres del contacto (y del corto) con el electrodo en contacto con el aire superior. En algunas modalidades, el electrodo metálico puede ser un ánodo metálico de zinc, y la gravedad puede evitar que el zinc chapado haga contacto con el electrodo en contacto con el aire por arriba. Esto crea una batería extremadamente confiable ya que no existe membrana que falle y la celda confía en la gravedad para asegurar la operación apropiada. Un sistema de batería de ánodo metálico recargable puede ser capaz de realizar un número mayor de ciclos de descarga/recarga sin degradación física de los materiales o degradación sustancial del funcionamiento del sistema de celda de batería. En algunas modalidades, el sistema puede ser capaz de realizar 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, 1,000 o más, 1,500 o más, 2,000 o más, 3,000 o más, 5,000 o más, 10,000 o más, 20,000 o más 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 del cloruro de zinc excede sus límites de solubilidad (ya que es formado en electrolitos basados en cloruro, la presencia de iones cloruro, vía el efecto del ion común, provocará que los límites de solubilidad del cloruro de zinc sean rápidamente excedidos) éste se precipita. Por lo tanto, la configuración de celda horizontal junto con la asistencia de gravedad, debería ayudar a precipitar las partículas de cloruro de zinc a sedimentarse nuevamente sobre el electrodo metálico de zinc horizontalmente colocado, debajo. Ya que las partículas de cloruro de zinc se depositan en/cerca del electrodo de zinc, los iones zinc sufrirán consideradamente menos migración. Esto significa que durante la carga de la celda, cuando el zinc es depositado nuevamente sobre el electrodo metálico, puede existir menos zinc perdido hacia otros sitios en la celda. Esto conduce a eficiencias del ciclo de zinc considerablemente mejoradas y a capacidad mejorada de la celda. La eliminación de los separadores de membrana en las celdas recargables también significa que las pérdidas de resistencia interna dentro de las celdas pueden ser minimizadas o reducidas. Esto conduce a potenciales de operación más altos y a menos desperdicio del calor generado.
Una geometría de celda horizontal puede también permitir establecer una distancia fija reproducible entre el electrodo (ánodo) de metal (zinc) y el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire. Esto ayuda a controlar la resistencia del electrolito de manera más reproducible. En algunas modalidades, una celda de batería puede tener una estructura que soporta el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire a una distancia fija uno del otro. Una distancia fija puede definir un espacio en el cual puede estar contenido un electrolito líquido. En segundo lugar, en geometrías horizontales, donde cada electrodo de respiración de aire individual está sobre la parte superior del montaje de celda, es decir el electrodo en contacto con el aire está de cara hacia arriba, numerosos montajes de celda de zinc-aire pueden ser apilados uno sobre la parte superior del otro. Esto no solamente incrementa la densidad de energía (ya que las celdas pueden ahora ser estrechamente empaquetadas conjuntamente) sino también permite el diseño de un sistema de batería con espacios de aire abiertos entre las celdas individuales. Este espacio abierto puede actuar como una tubería de flujo de gas horizontal donde el aire puede ser bombeado a través de los alojamientos de batería entre las celdas individuales para hacer circular el aire/oxígeno sobre la parte superior sobre cada electrodo en contacto con el aire individual.
La Figura 2 muestra un ejemplo de las celdas individuales que pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. Una celda puede incluir una estructura de plástico 200a, 200b, un electrodo en contacto con el aire 202a, 202b, un electrodo metálico 204a, 204b y un electrolito 206a, 206b. El electrolito líquido puede estar contenido por la estructura de plástico y puede ser además soportado por el electrodo metálico sobre la parte inferior de la celda. En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire puede ser proporcionado por arriba del electrolito. El electrolito puede ser emparedado y mantenido entre el electrodo metálico debajo y el electrodo en contacto con el aire arriba. Uno o más túneles de flujo de aire 208a, 208b pueden ser proporcionados entre las celdas individuales. Un túnel de flujo de aire 208b puede ser proporcionado entre un electrodo metálico 204a, y un electrodo en contacto con el aire 202b.
De este modo, dos celdas individuales pueden ser separadas una de la otra por un pasaje de aire horizontal o túnel (no dibujado a escala) . Esta configuración de celda horizontal puede permitir que el aire/oxígeno sea bombeado y circulado entre las celdas hacia los electrodos en contacto con el aire individuales. El flujo de aire/oxígeno a los electrodos en contacto con el aire puede permitir que las celdas mantengan su suministro de oxígeno necesario incluso a densidades de corriente más altas y el flujo de aire proporciona adicionalmente enfriamiento de la celda. La circulación del aire no necesita estar continuamente operando y las velocidades de flujo de aire pueden ser cuidadosamente reguladas vía los mecanismos de retroalimentación . En algunas modalidades, el aire puede fluir entre celdas individuales en una pila todo en la misma dirección para cada uno de los túneles de flujo de aire. Alternativamente, el aire que fluye entre las celdas individuales en una pila puede ser diseñado para fluir en diversas direcciones.
En un ejemplo, un ventilador (el cual puede incluir ventiladores axiales, ventiladores centrífugos, ventiladores de flujo transversal) , bomba, o cualquier otro mecanismo adecuado para producir flujo de aire, puede ser utilizado. Uno o más accionadores pueden ser parte del mecanismo de flujo de aire o puede estar en comunicación con el mecanismo de flujo de aire. Los ejemplos de accionadores pueden incluir, pero no están limitados a, motores, solenoides, accionadores lineales, accionadores neumáticos, accionadores hidráulicos, accionadores eléctricos, accionadores piezoeléctricos o imanes. Los accionadores pueden provocar que el aire fluya con base en una señal recibida desde un controlador. Los accionadores pueden o no estar conectados a una fuente de energía. Uno o más sensores pueden ser proporcionados en un arreglo de celda. 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. Con base en las señales recibidas desde los sensores, el controlador puede proporcionar señales a los mecanismos de flujo de aire, los cuales pueden variar y/o mantener el flujo de aire entre las celdas.
Como se mencionó previamente, existen un número de ventajas de una geometría horizontal en celdas de ánodo metálico .
A. Una geometría horizontal puede permitir la resistencia fija/controlada de electrolito, lo cual puede requerir manejo menos activo de la temperatura de la celda, densidad de corriente o niveles de electrolito.
B. Una geometría horizontal puede también proporcionar facilidad para ensamblar físicamente y apilar múltiples celdas.
C. Puede no existir necesidad para un separador de batería ya que la gravedad ayuda a separar y a sedimentar los materiales de diferentes densidades sobre el electrodo metálico .
D. El producto de descarga y precipitado puede ser auxiliado por gravedad, como se mencionó previamente, para asentarse como una capa uniforme (o sustancialmente uniforme) sobre un electrodo metálico debajo.
E. Un diseño horizontal puede ayudar a enfriar las celdas y puede también permitir mayor distribución de oxígeno a los electrodos en contacto con los aires individuales, lo cual puede permitir corrientes más altas.
F. La gravedad puede también ayudar a hacer fluir el electrolito como se describe más adelante.
G. La compresión puede retener las celdas en su sitio.
Un diseño de batería horizontal no necesita estar limitado a una batería de ánodo metálico, tal como una batería de zinc-aire. Un diseño de celda horizontal puede también ser utilizado en otros sistemas de batería donde un producto de descarga sólido o ligeramente soluble es formado ya sea durante la operación de la celda o durante la inactividad de la celda. Este puede incluir, pero no está limitado, baterías de plomo-ácido ("inundadas" y VRLA) , baterías de NiCard, baterías de hidruro metálico de níquel, baterías de iones litio, baterías poliméricas de iones litio, o baterías de sal fundida.
VII. Diseño de Céntrodo para la Interconexión de las Celdas De acuerdo con un aspecto de la invención, pueden ser proporcionados sistemas y métodos para las conexiones baratas, elevables de escala, entre múltiples celdas.
La interconexión de un número de celdas individuales en una conexión eléctrica en serie mientras que se mantiene una configuración geométrica horizontal para una o más celdas (o cada celda) puede ser fácilmente lograda por lo que puede ser denominado como un "céntrodo" . Un "céntrodo" puede ser creado al tomar un electrodo en contacto con el aire en una celda y rizarlo a lo largo de ambos lados con una pieza metálica separada. Esta pieza metálica puede ser eléctricamente acoplada a la celda por arriba de ésta o puede por sí misma ser el electrodo metálico para la celda por arriba de ésta. El espacio entre el electrodo metálico (ahora colocado sobre la parte superior) y el electrodo en contacto con el aire (ahora colocado debajo) puede ser separado por un canal de aire delgado 208a, 208b que permite que el aire fluya sobre la parte superior de estos electrodos en contacto con el aire. Esto es mostrado en la Figura 2. El submontaje de céntrodo resultante se asemeja a la sección de sombrero cuando se observa a través de la trayectoria de aire 108a, 108b (del frente hacia atrás) como se muestra en la Figura 1. El electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire pueden estar sustancialmente verticalmente alineados y horizontalmente orientados.
La Figura 1 ilustra como un electrodo metálico 104a de una primera celda puede ser rizado alrededor de un electrodo en contacto con el aire 102b de una segunda celda, con lo cual se conectan la primera y segunda celdas en serie. El electrodo metálico de una primera celda y un electrodo en contacto con el aire de una segunda celda pueden estar eléctricamente conectados en cualquier número de formas adecuadas. Por ejemplo, el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire puede ser ya sea rizado uno contra el otro, abrazado uno al otro, soldado uno al otro, presionado uno contra el otro, acoplado uno a otro con adhesivo conductor, soldado uno al otro, o de otro modo sujetado.
En algunas modalidades, un electrodo en contacto con el aire y un electrodo metálico pueden estar separados por una distancia fija en donde el electrodo en contacto con el aire puede estar localizado por arriba del electrodo metálico. La distancia fija puede ser informe a través del área del electrodo en contacto con el aire y del electrodo metálico. Alternativamente, la distancia fija puede ser variante a través del área del electrodo en contacto con el aire y del electrodo metálico. 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 cm, 1.5 cm, 2 cm, 3 cm, o más. La distancia fija entre el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metálico puede definir un espacio en el cual un electrolito puede ser contenido o proporcionado. El electrodo en contacto con el aire y el electrodo metálico pueden ser parte de la misma celda.
Cualquier número de celdas pueden ser ensambladas, apiladas y conectadas para lograr cualquier voltaje total de operación que se requiera. Cada estructura de plástico puede ser una parte común diseñada para ajustarse a la forma y a los requerimientos de selladura de los céntrodos individuales. Cada céntrodo puede tener perfiles superior e inferior únicos moldeados en plástico. Los perfiles moldeados en plástico pueden ser los mismos de celda a celda, o pueden variar. Los perfiles moldeados pueden ayudar con el apilamiento de las celdas, y para soportar los céntrodos dentro de las celdas. Un proceso automatizado ensambla las celdas de una manera modular al emparedar esencialmente múltiples céntrodos entre dos estructuras de celda de plástico correspondientes. Este proceso puede ser repetido continuamente .
La Figura 3 muestra una vista en sección isométrica de celda simple de acuerdo con una modalidad de la invención. La celda puede tener una estructura 300, un electrodo metálico 300, un electrodo metálico 302 y un electrodo en contacto con el aire 304. La celda puede tener cualquier forma o dimensión deseada. Por ejemplo, la celda puede tener una forma rectangular, forma cuadrada, forma circular, forma triangular, forma trapezoidal, forma pentagonal forma hexagonal o forma octagonal . La estructura puede ser correspondientemente conformada para caber alrededor de la celda .
En algunas modalidades, una estructura 300 puede tener una porción vertical 312. La estructura puede también tener un anaquel horizontal 306 que puede sobresalir dentro de la celda. El anaquel puede sobresalir desde la porción vertical en cualquier sitio a lo largo de la porción vertical. En algunas modalidades, el anaquel 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 el anaquel horizontal pueden ser proporcionados a lo largo de la circunferencia completa de la celda o puede ser proporcionada a la 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 incluir una porción de la estructura (por ejemplo, la porción vertical y/o de anaquel de la estructura) . En algunas modalidades, la sección transversal de anaquel puede ser proporcionada como un rectángulo, trapezoide, cuadrado, cualquier otro cuadrilátero, triángulo o puede tener cualquier otra forma. En algunas modalidades, la superficie superior del anaquel puede estar inclinada. En algunas modalidades, la superficie superior del anaquel puede estar inclinada hacia abajo hacia el centro de la celda, o puede estar inclinada hacia abajo hacia el perímetro de la celda. Alternativamente, la superficie superior puede ser plana con una orientación horizontal .
En algunas modalidades, un electrodo metálico 302 puede ser proporcionado por debajo del anaquel 306. En algunas modalidades, un electrodo metálico puede tener una orientación horizontal. El electrodo metálico puede hacer contacto con el lado inferior del anaquel. En algunas modalidades, el electrodo metálico puede ser conformado para hacer contacto con uno o más lados verticales 312 de la estructura. Alternativamente, el electrodo metálico puede ser conformado para estar en estrecha proximidad al lado vertical sin hacer contacto con el lado vertical. El electrodo metálico puede estar paralelo o sustancialmente paralelo al lado vertical en esta porción.
En algunas modalidades, la estructura puede tener un perfil de fondo 314 proporcionado sobre una porción inferior de la celda. En algunas modalidades, el perfil inferior puede ser una indentación, muesca, canal, ranura u orificio que puede ser proporcionado en o cerca del fondo de la estructura. El electrodo metálico puede ser conformado para caber dentro del perfil inferior, Una porción del electrodo metálico que cabe dentro del perfil inferior puede estar paralela o sustancialmente paralela a la superficie del electrodo metálico que abarca la celda. Una porción del electrodo metálico que cabe dentro del perfil inferior puede estar perpendicular o sustancialmente perpendicular a la porción del electrodo metálico que hace contacto o está en estrecha proximidad con el lado vertical.
En algunas modalidades, un electrodo en contacto con el aire 304 puede abarcar una celda. El electrodo en contacto con el aire puede tener una configuración sustancialmente plana. En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire puede hacer contacto con un perfil inferior 314 de una celda. En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire puede ser ajustado dentro del perfil inferior de la celda. En algunas modalidades, una porción del electrodo metálico 302 puede contactar eléctricamente el electrodo en contacto con el aire dentro del perfil inferior de la celda. Por ejemplo, la porción del electrodo metálico puede ser rizada alrededor del electrodo en contacto con el aire dentro del perfil inferior de la celda. En modalidades preferibles, puede ser proporcionado un espacio vacío entre la porción del electrodo en contacto con el aire que abarca la celda, y la porción del electrodo metálico que abarca la celda. El aire puede ser proporcionado dentro del espacio vacío. En algunas modalidades, el aire puede fluir dentro de este espacio vacío.
En algunas modalidades puede ser proporcionado un perfil superior sobre una porción superior de la celda. En algunas modalidades, el perfil superior puede ser una indentación, muesca, canal, ranura u orificio que puede ser proporcionado en o cerca de la parte superior de la estructura. En algunas modalidades, el perfil superior puede ser una imagen en el espejo del perfil inferior. En algunas modalidades, un perfil superior puede acomodar un electrodo metálico y/o el electrodo en contacto con el aire por arriba de la celda. En algunas modalidades, un contacto eléctrico entre un electrodo metálico y un electrodo en contacto con el aire puede ser emparedado entre un perfil inferior de una primera celda y un perfil superior de una segunda celda. En otras modalidades, no necesita ser proporcionado un perfil superior. También, una celda de plástico puede ser moldeada por inyección alrededor de un céntrodo u otras conexiones eléctricas.
Otras configuraciones para perfiles estructurales, electrodos metálicos y electrodos en contacto con el aire, pueden ser proporcionadas. Por ejemplo, un electrodo metálico puede ser proporcionado sobre la parte superior de un anaquel . Un electrodo en contacto con el aire puede ser proporcionado sobre la parte superior de una celda. Las posiciones de los electrodos metálicos y los electrodos en contacto con el aire pueden ser intercambiadas.
En algunas modalidades, una estructura puede incluir perfiles moldeados adicionales tales como un reborde 308. La estructura puede también incluir una porción inclinada 310. En algunas modalidades, un reborde puede capturar un electrolito. En algunas modalidades, algo del electrolito puede ser canalizado por la porción inclinada 310 en una celda. El electrolito puede estar contenido por la porción vertical 312 de la celda y puede ser soportado por una porción del electrodo metálico 302 que abarca la celda. En algunas modalidades, un reborde puede permitir que una porción del electrolito fluya a través de la porción de reborde de la estructura y salga debajo de la porción de reborde de la estructura. Esto puede prevenir o reducir el sobreflujo del electrolito desde la celda. En algunas modalidades, el electrolito puede ser proporcionado desde dentro de la celda, o puede ser proporcionado desde una fuente por arriba de la celda, o puede ser capturado, mantenido o alimentado a una cámara con álabes o con expansión que lo empuja hacia arriba o diagonalmente por arriba de la celda, de modo que la gravedad empujará el electrolito nuevamente hacia abajo cuando exista espacio en la celda.
Una ventaja adicional de una configuración horizontal es que las celdas pueden ser diseñadas de modo que el manejo del electrolito líquido se vuelve significativamente más fácil. Un sistema de manejo de electrolito, basado en la gravedad puede ser proporcionado, de acuerdo con una modalidad de la invención. Conforme las baterías de zinc-aire se descargan, en volumen neto del sistema líquido de zinc-electrolito puede incrementarse. Si no es realizado cierto acomodo para este volumen incrementado, conforme el electrolito líquido se expande, la presión podría aumentar dentro de la celda y el electrolito líquido podría penetrar el lado inferior del electrodo en contacto con el aire poroso. Esto puede no solamente provocar inundación del electrodo en contacto con el aire poroso sino que la diferencial de presión proveniente del electrolito líquido en expansión que empuja dentro del electrodo en contacto con el aire poroso, puede dañar el electrodo en contacto con el aire frágil. En baterías selladas, pequeñas, debe ser permitido espacio extra para tal expansión el líquido de electrolito. Sin embargo, este volumen extra puede disminuir la densidad de energía total de la celda y podría crear problemas en un sistema donde muchas celdas están conectadas en serie y todas las celdas deben mantener un nivel de electrolito correcto. Esto tampoco permite que nuevo electrolito líquido sea alimentado dentro del sistema o para el electrolito líquido que va a ser probado.
De acuerdo con un aspecto de la invención, este problema puede ser enfrentado por cuatro celdas adyacentes horizontalmente alineadas, donde las cuatro celdas comparten una esquina común. Este montaje horizontal de cuatro celdas puede ser denominado como un "cuádrete" . En el punto donde las cuatro celdas se encuentran, las celdas podrían compartir una compuerta de llenado o de rebosamiento o de recirculación. Cada celda puede ser diseñada para tener acceso a esta compuerta pequeña. Cada compuerta puede tener un reborde de rebosamiento pequeño L que puede ser inclinado ligeramente por arriba de la superficie inferior de cada electrodo en contacto con el 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 líquido, basado en la gravedad. El sistema de manejo de electrolito líquido basado en la gravedad puede incluir un canal A de alivio de gas, proveniente de un tanque o recipiente B, que puede estar en comunicación fluida con otro tanque o recipiente C. En algunas modalidades, pueden ser proporcionadas válvulas o compuertas de entrada y de salida D, E en un tanque. En algunas modalidades, tanques o recipientes F adicionales pueden estar en comunicación con un tanque principal o recipiente C. Cualquier distribución de tanques o recipientes puede ser proporcionada. Estos pueden o no incluir filtros que pueden capturar partículas no deseadas. En algunas modalidades, los tanques de depósito pueden también proporcionar una oportunidad para agregar o retirar cualesquiera materiales deseados tales como aditivos de electrolitos. Conforme un electrolito circula dentro de un sistema de manejo de electrolito, su concentración y/o composición es monitorizada y puede ser modificada como sea necesario .
Una vía de paso G de fluido de suministro puede suministrar el electrolito al sistema de batería completo. Una vía de paso V de fluido de retorno puede regresar el electrolito líquido al sistema de batería. Una vía de paso de fluido puede incluir un tubo, canal, mecha o cualquier otro montaje que pueda transportar el fluido. El electrolito puede ser suministrado a un tanque de electrolito superior H. Uno o más desagües o compuertas de llenado J pueden ser proporcionados. Cuando el electrolito K rebosa el tanque, éste puede gotear hacia abajo dentro de una celda subyacente y puede ser atrapado por un reborde de rebosamiento L.
Un reborde de rebosamiento L puede asegurar un nivel constante del electrolito líquido que está siempre en contacto con todos los puntos de la cara inferior del electrodo en contacto con el aire T. El electrolito P puede ser proporcionado dentro de una celda. Durante la descarga de la celda cuando el electrolito líquido se expande, este reborde puede permitir que el electrolito en exceso en el "cuádrete" horizontal se drene. Todo esto puede ser logrado sin requerir ninguna presión hidrostática sobre el electrodo en contacto con el aire. En otras palabras, estas compuertas únicas pueden permitir la expansión del electrolito líquido y el escape gaseoso mientras que se mantienen los niveles apropiados (y automáticamente controlados) del electrolito para cada grupo de celdas horizontalmente acomodadas. Este balance automático del nivel de electrolito puede también ayudar a mantener el funcionamiento eléctrico uniforme. Estas compuertas, localizadas en el centro común de cada cuatro celdas adyacentes "cuadretes" , pueden alinearse verticalmente directamente por arriba de otras compuertas debajo (en "cuádrete" localizado por debajo) para crear una serie de tubos alimentadores verticalmente orientados. Estos tubos pueden distribuir cualquier electrolito líquido rebosante desde todas las partes de las celdas apiladas hacia una charola recolectora pequeña U situada en el fondo de una pila dada de celdas. Estas compuertas pueden incluir una porción prismática M que ayuda a romper el electrolito líquido rebosante en gotas pequeñas N.
Las celdas pueden incluir un electrodo en contacto con el aire T y un electrodo metálico R que pueden estar conectados en uno o más puntos de conexión S. Un túnel de aire cero puede ser proporcionado entre el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metálico. En algunas modalidades, el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metálico pueden formar un céntrodo. Una estructura Q puede ser proporcionada para una celda, cuádrete o grupo de celdas o cuadretes. Las estructuras pueden ser apiladas dentro del sistema de batería.
Una o más válvulas o compuertas I pueden ser proporcionadas dentro de un tanque de electrolito superior II o la charola recolectora U. Esta compuerta puede permitir que los aditivos de electrolito y/o algunos electrolitos sean drenados. Una compuerta puede permitir que los gases se ventilen. En algunas modalidades, las compuertas pueden proporcionar acceso para tomar mediciones de conductividad o de pH. Las compuertas pueden tener otros usos adicionales.
Durante la carga de la celda, cuando los volúmenes de electrolito líquidos en cada celda disminuyen, estas mismas compuertas de llenado pueden ser utilizadas para agregar electrolito líquido nuevamente dentro de cada celda de un "cuádrete" . Durante la carga de la celda, una bomba recolectora puede ser disparada para rellenar el "cuádrete" superior. El electrolito que rebosa de este cuádrete horizontalmente configurado, de cuatro celdas, horizontal, de la parte más alta, entra al tubo de desagüe y mediante alimentación por gravedad, simplemente llena el "cuádrete" horizontal debajo de éste. Este rebosamiento puede continuar y llenar el siguiente "cuádrete" debajo del mismo. El llenado automático de los cuadretes horizontales con electrolito líquido puede proceder rápidamente hasta que todos los "cuadretes" en una pila vertical han sido rellenados (o llenada al tope) con electrolito líquido. Estas compuertas de relleno/rebosamiento pueden estar diseñadas para servir también otra función. Una protuberancia prismática (M) colocada debajo de cada reborde de rebosamiento (4-L) puede ayudar a separar cualquier líquido de electrolito en pequeñas gotas (N) antes de que éstas goteen dentro de un cuádrete particular. Esto puede ayudar ventajosamente con la separación o la desconexión de cualquier circuito eléctricamente conductor que pueda haber sido de otro modo creado por un flujo de líquido conductor continuo (es decir, un número grande de gotas individuales conectadas) entre las celdas individuales. Un flujo no desintegrado de electrolito conductor podría haber provocado un gran cortocircuito eléctrico a través del alto voltaje producido por numerosas celdas apiladas en serie.
En las celdas verticalmente orientadas que utilizan las configuraciones convencionales tipo placa y estructura, las conexiones líquidas entre las celdas pueden ser una fuente de pérdida de energía y otros problemas de diseño. La configuración horizontal descrita en la presente y provista de acuerdo con las modalidades de la invención, con la compuerta de llenado/rebosamiento descrita puede minimizar o reducir estos problemas con una parte de plástico, moldeada por inyección, fácilmente ensamblada.
La facilidad de ensamblaje, modularidad y elevación de escala de este diseño de batería es también fácilmente aparente en comparación a las dificultades asociadas con los montajes de batería convencionales (ver Figura 5) .
La Figura 4B muestra un sistema adicional para mantener un nivel de electrolito constante dentro de una pluralidad de celdas apiladas de acuerdo con otra modalidad más de la invención. Un sistema de manejo de electrolito líquido de batería por flujo de 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 ánodo metálico de flujo por gravedad, tal como una batería de zinc-aire de flujo por gravedad.
Un cargador de electrolito y una bomba de transfusión pueden ser proporcionados de acuerdo con una modalidad de la invención. El cargador puede ser eléctricamente conectado a un tapón de carga el cual a su vez puede estar conectado a una fuente de energía, tal como una red de electricidad/utilidad. Un rectificador puede ser proporcionado para convertir la electricidad AC de una fuente de energía a DC para cargar la batería. El sistema de transfusión con el cargador de electrolito puede ser utilizado para las estaciones de combustible existentes, de uso residencial o ligero. Este puede ser incorporado dentro de las estructuras pre-existentes . La bomba de transfusión puede incluir uno o más miembros conductores de electrolito A, B que pueden ser un tubo, canal o cualquier otra vía de paso de fluido para transportar un electrolito acuoso. Un primer miembro de conducción 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 hacia el cargador de electrolito y la bomba de transfusión en el retorno de electrolito. En algunas modalidades, una bomba, válvula, diferencial de presión o cualquier otro mecanismo puede ser utilizado para iniciar y provocar el flujo de electrolito. En algunas modalidades, puede ser proporcionada una válvula, interruptor, o mecanismo de aseguramiento el cual puede detener y/o iniciar el flujo del electrolito.
Una batería de ánodo metálico, de flujo de electrolito asistido por gravedad, puede incluir un tubo de llenado de electrolito recargado A, un tubo de retorno de electrolito utilizado B, una válvula de control C, un controlador electrónico D, una bomba E, una línea de suministro hacia un tanque de almacenamiento de electrolito F, una línea de suministro hacia las tuberías superiores G, las válvulas de control de suministro superiores Hl, 112, el controlador de flujo de electrolito superior 11, 12, las compuertas J-l, J-2, J-3, el tanque de almacenamiento K, y la línea de retorno de electrolito proveniente 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 rebosamiento de electrolito por flujo de gravedad, no es requerido un agente de absorción de mecha.
El tubo de llenado de electrolito A puede proporcionar el electrolito líquido a la batería del ánodo metálico de flujo por gravedad. La válvula de control C puede determinar si el electrolito va a ser proporcionado a la batería de ánodo metálico y cuál debe ser la velocidad de electrolito/flujo. La válvula de control puede ser dirigida por un controlador electrónico D que proporcione instrucciones a la válvula de control. Estas instrucciones pueden determinar cuánto flujo de electrolito permite la válvula de control. Las instrucciones pueden ser proporcionadas automáticamente desde el controlador. El controlador puede o no estar en comunicación con un procesador externo, el cual puede proporcionar las 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 las instrucciones al controlador, lo cual 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 la circulación del electrolito. En algunas modalidades, la bomba puede ser proporcionada dentro de un tanque de almacenamiento K de la batería de ánodo metálico. Una línea de retorno de electrolito proveniente del tanque de almacenamiento L puede proporcionar el electrolito desde el tanque de almacenamiento K a la válvula de control C. La línea de retorno de electrolito proveniente del tanque de almacenamiento puede ser conectada 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 las instrucciones a la válvula de control que pueden determinar si el electrolito puede regresar y/o la velocidad de flujo a la cual puede regresar el electrolito.
Una línea de suministro hacia el tanque de almacenamiento F puede ser proporcionada. El electrolito puede fluir desde la válvula de control C hacia el tanque de almacenamiento . Una línea de suministro hacia las tuberías superiores G puede también ser proporcionada. El electrolito puede fluir desde la válvula de control hacia las tuberías superiores. En algunas modalidades, puede ser proporcionada una tubería. En otras modalidades, puede ser proporcionada una pluralidad de tuberías superiores. Las tuberías superiores pueden o no estar en comunicación fluida una con la otra. En algunas modalidades, el electrolito proporcionado a través de la línea de suministro G puede ser controlado por una o más válvulas de control de suministro Hl , H2. En algunas modalidades, puede ser proporcionada una válvula de control para cada tubería superior. La válvula de control puede regular el flujo de electrolito hacia cada tubería superior. El controlador electrónico D puede estar en comunicación con las válvulas de control de suministro superior. El controlador electrónico puede proporcionar las instrucciones a las válvulas de control de suministro superiores. En algunas modalidades, las instrucciones proporcionadas por el controlador electrónico pueden ser proporcionadas sobre una conexión cableada, o pueden ser proporcionadas inalámbricamente.
En algunas modalidades, los controladores superiores de flujo de electrolito 11, 12 pueden controlar el flujo del electrolito desde la tubería superior hacia las celdas debajo. Los controladores de flujo pueden romper el electrolito en gotas pequeñas que no forman una corriente eléctricamente conductora, continua. Los controladores de flujo pueden controlar la velocidad del fluido que es transferido desde la tubería superior hacia las celdas subyacentes .
En algunas modalidades, la tubería superior y/o el tanque de almacenamiento K pueden tener las compuertas J-l, J-2, J-3. En algunas implementaciones , las compuertas pueden estar en comunicación con el controlador electrónico D. En algunas modalidades, las compuertas pueden proporcionar acceso para tomar una o más mediciones. Las mediciones pueden ser comunicadas al controlador electrónico que puede proporcionar las instrucciones a las otras partes del sistema de manejo de electrolito. Por ejemplo, con base en las mediciones, el controlador electrónico puede provocar que la velocidad de flujo del electrolito sea ajustada, la temperatura de electrolito sea ajustada, el pH de electrolito sea ajustado, o la composición del electrolito sea ajustada.
Una conexión eléctrica puede ser proporcionada dentro del sistema de batería. Por ejemplo, una conexión eléctrica puede ser proporcionada en un lado (+) de la batería y una conexión eléctrica puede ser proporcionada en un lado (-) de la batería, y puede ser conectado a un segundo enchufe de carga . El enchufe de carga 2 puede ser enchufado en un receptáculo de pared, tal como una red de electricidad nacional/utilidad. Un rectificador de AC a DC puede ser proporcionado, el cual puede convertir la AC de una red nacional/utilidad a DC para cargar las baterías. Un inversor puede o no ser proporcionado, el cual puede convertir la DC de las baterías a AC conforme las baterías son descargadas.
En algunas modalidades, el voltaje del sistema de batería puede ser monitorizado . En algunas modalidades, el voltaje del sistema completo puede ser monitorizado, o el montaje de cada módulo puede ser individualmente monitorizado. Cuando el voltaje cae inesperadamente, esto puede indicar un problema con una o más celdas. En algunas modalidades, el sistema puede incrementar la velocidad de flujo del electrolito cuando el voltaje cae.
En algunas modalidades, una o más características de la batería y/o del electrolito pueden ser monitorizadas en un punto simple. Por ejemplo, el pH del electrolito, la temperatura del electrolito, la composición del electrolito puede ser medida en un punto simple, tal como dentro del tanque de almacenamiento. La invención puede incluir un sistema de monitoreo simplificado que puede determinar si el sistema necesita o no ser ajustado sin requerir sistemas detectores costosos y complejos.
VIII. Aditivos para Mejorar la Calidad de la Chapa de Zinc y Formar Especies de Zinc Insolubles Las pérdidas de resistencia interna (IR) pueden ser mantenidas bajas mediante chapado de un recubrimiento de zinc de una calidad durante cada ciclo de recarga. Un factor clave en la longevidad de esta celda es que no necesita ser mantenida ninguna forma específica de electrodo. En este electrolito de batería, el ciclo de celda continua no daña el electrodo metálico. El sistema de batería puede incluir cualquier número de aditivos bien conocidos que mejorar la deposición del zinc sobre el electrodo metálico. Los ejemplos de aditivos pueden incluir, pero no están limitados a polietilenglicol de diversos pesos moleculares, y/o tiourea. Con estos aditivos, un recubrimiento de zinc altamente conductor, a nivel, liso, fresco, puede ser chapado durante cada ciclo de recarga de la celda. Esta capa de zinc es luego fácilmente disponible para sufrir oxidación fácil y formar iones zinc disueltos durante la siguiente descarga de la celda. En este sistema de batería, no se requiere ninguna forma física exacta para ser formada durante el chapado con zinc. Ya que la gravedad ayuda a mantener el zinc depositado o chapado en su sitio, la falla del electrodo metálico (muy común en otros sistemas de baterías) puede ahora ser minimizado o reducida como un modo de falla. Esto ayuda a lograr una batería de vida de ciclo muy prolongada.
Otra modalidad más puede incluir otros aditivos que podrán provocar que los iones zinc que son generados (durante la oxidación en el electrodo metálico durante la carga de la celda) permanezcan sin estrecha proximidad al electrodo metálico de zinc o al recolector de corriente metálico. Esto es importante debido a que estas especies de zinc serán luego fácilmente eléctricamente reducidas (sin migración excesiva) durante la carga de la celda. Podría ser por lo tanto útil tener un electrolito de aditivo soluble en agua que (una vez en contacto con los iones Zn2+ formados en el electrodo metálico) pueden formar una especie de zinc insoluble que puede precipitarse hacia el fondo de las celdas horizontalmente orientadas. Las especies de zinc insolubles pueden permanecer cerca del electrodo de zinc y ser más fácilmente disponibles para la reducción electroquímica subsecuente durante la recarga de la celda. El sistema de batería puede incluir un aditivo que puede controlar la precipitación deseable. Tales aditivos pueden incluir cualquiera de las siguientes especies solubles en agua. Los ejemplos de especies solubles en agua que forman especies de zinc insolubles incluyen, pero no están limitados a: benzoatos, carbonatos, yodatos, y estearatos .
En algunas modalidades, los aditivos que tienen cualquiera de las propiedades descritas en la presente pueden incluir pero no están limitados a urea, tiourea, polietilenglicol , benzoatos, carbonatos, yodatos, estearatos, tensioactivos de catalizador soluble en agua, o aloe vera, solos o en combinación. En algunas modalidades, la adición de extracto de aloe vera puede reducir la corrosión del zinc.
IX. Catalizadores Solubles como Aditivo Electrolítico para Mejorar la Formación de Oxígeno Durante la Recarga Además de los catalizadores sólidos incorporados en el electrodo en contacto con el aire mismo, otros materiales tales como sales de manganeso solubles en agua pueden ser agregadas para mejorar el funcionamiento de la celda durante la recarga. Ya que el oxígeno es generado durante la recarga de la celda es también útil permitir que las burbujas de oxígeno escapen fácilmente. Esto puede ser logrado mediante la adición de tensioactivos que actúan como agentes antiespumantes (tales como Simethicone o Dowex) para romper las burbujas generadas. El sistema de batería puede incluir un aditivo que previene la formación de espuma y que permite la liberación del gas. Los aditivos pueden incluir uno o más de los siguientes: simeticona, Dowex, aloe vera, u otros tensioactivos .
El electrodo en contacto con el aire puede también ser montado con un ángulo pequeño a la paralela para ayudar a que las burbujas de oxígeno formadas abandonen un cuádrete de cuatro celdas vía una compuerta de llenado común cerca del reborde de rebosamiento. En algunas modalidades, el titanio expandido podría ser también surtido con una ligera corona negativa o el canal de alivio de gas perimetral estampado, de modo que se puede asegurar que la mayor parte del área superficial del electrodo en contacto con el aire sea condescendiente con el electrolito. Cualesquiera burbujas de aire o gases pueden escapar fácilmente vía las compuertas de llenado comunes. Estas configuraciones enfrentarán también los problemas de tolerancia a la planeidad y mitigarán los problemas de nivelación) .
X. Urea como Aditivo Electrolítico para Eliminar el Cloro Formado El sistema de batería pueden incluir un aditivo al electrolito para prevenir o reducir al mínimo el desprendimiento de cloro y/o hipoclorito durante la recarga de la celda. La urea puede ser agregada al electrolito acuoso de batería para controlar la generación de cloro. La urea y el cloro pueden reaccionar para formar cloruros y productos gaseosos benignos (por ejemplo, N2, C02, y H2) . Si cualquier cloro libre es formado del todo en el electrolito durante la carga de la celda, éste puede reaccionar fácilmente con la urea soluble para formar cloruro adicional (el cual es ya un componente del electrolito) . Los gases generados provenientes de la reacción del cloro con la urea no son peligrosos y pueden ser ventilados de manera segura. Si la urea es agregada al electrolito y no reabastecida, entonces, conforme la celda se carga (y si el gas cloro es generado) , la urea puede reaccionar con el cloro formado, ser agotada, y no estar disponible para eliminar cualquier gas de cloro generado durante los ciclos de carga subsecuentes.
En el diseño de celda proporcionado de acuerdo con una modalidad de la invención, los electrolitos pueden ser periódicamente probados y, si los niveles de cloro están por arriba de un nivel predeterminado, la urea adicional puede ser agregada como se requiera. En algunas modalidades, los electrolitos pueden ser manualmente probados. En otras modalidades, uno o más sensores pueden ser proporcionados para probar adicionalmente los niveles de cloro y si es necesario, agregar urea adicional para reaccionar con y eliminar el cloro. En algunas modalidades, la urea puede ser manualmente agregada como sea necesario. En modalidades alternativas, la urea puede ser automáticamente agregada 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 podrían ser unos pocos ppm de urea.
En algunas modalidades, el sistema de electrolito de batería puede incluir un aditivo que puede prevenir el desprendimiento de hidrógeno durante la carga de la celda. El aditivo puede incluir, pero no está limitado a, sales de cloruro de alto sobre-potencial de hidrógeno tales como cloruro de estaño, cloruro de plomo, cloruro de mercurio, cloruro de cadmio o cloruro de bismuto.
XI. Recarga Rápida con la Suspensión de Zinc/Electrolito Con un diseño de celda horizontal, puede ser proporcionado un sistema donde las celdas pueden ser rápidamente recargadas (por ejemplo, para aplicaciones móviles de alto intervalo) . Las partículas de cloruro de zinc formadas durante la descarga pueden ser rápidamente eliminadas de las celdas vía la succión de esta suspensión hacia un tanque o vejiga de desecho. Este líquido de electrolito utilizado puede ser reemplazado por pellas de zinc frescas en la suspensión de electrolito que pueden ser bombeadas nuevamente hacia la celda horizontal. Las partículas de zinc sólidas pueden sedimentarse hacia el fondo de la celda (electrodo metálico) . Se espera que esta recarga mecánica 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 puede ser conectado a un tanque. En algunas modalidades, el líquido de electrolito utilizado puede ser devuelto al tanque. El líquido de electrolito puede ser devuelto vía un tubo de retorno, un tubo, un canal, un conducto, o cualquier otro aparato de comunicación de fluido. En algunas modalidades, el tanque puede suministrar líquido de electrolito al alojamiento. El electrolito puede ser suministrado vía un tubo de retorno, un tubo, un canal, un conducto, o cualquier otro aparato de comunicación de fluido. En algunas modalidades, el mismo tanque puede recibir el líquido de electrolito utilizado y proporcionar el líquido de electrolito fresco. El líquido de electrolito puede ser luego reciclado dentro del sistema. En algunas modalidades, el tanque puede tener uno o más procesos de tratamiento que pueden tratar el líquido de electrolito utilizado antes de que éste sea suministrado nuevamente al alojamiento. Por ejemplo, pueden ser agregadas pellas de zinc frescas al electrolito. En otras modalidades, diferentes tanques pueden ser utilizados para recibir el líquido de electrolito utilizado y proporcionar líquido de electrolito fresco. El electrolito fresco puede entrar al sistema, y el electrolito utilizado puede ser retirado del sistema.
Las partículas de cloruro de zinc provenientes de la celda utilizada pueden ser regeneradas localmente o en alguna instalación regional (el equivalente a una refinería o granja de tanques) mediante técnicas electroquímicas bien conocidas. Tal modificación podría convertir este sistema de lo que podría ser típicamente considerada como una batería a más de una celda de tipo de flujo o una celda de combustible de zinc-aire. No obstante, todas las ventajas anteriores podrían estar disponibles, y podría ser logrado un ciclo de descarga más prolongado que un ciclo de descarga que podría estar disponible a partir solo de la cantidad de zinc que puede caber dentro de cada celda sin la circulación del zinc externo. Otro método de reabastecimiento de combustible podría ser descrito como la transfusión de electrolito, donde el electrolito degradado puede ser intercambiado con el electrolito fresco para el reabastecimiento conveniente, rápido, similar a las estaciones de bombeo tradicionales.
XII. Alojamiento y Montaje de Batería de Ánodo Metálico Como se describió previamente, el sistema de batería de ánodo metálico puede incluir un alojamiento de batería. Este alojamiento puede tener cualquier número de configuraciones que pueden contener una o más celdas individuales. En algunas modalidades, una celda por sí misma puede formar parte del alojamiento. Por ejemplo, las celdas pueden ser apiladas de modo que las estructuras de celda pueden formar parte del alojamiento. En algunas modalidades, el alojamiento puede ser hermético a fluido. Por ejemplo, el alojamiento puede ser hermético al líquido y/o hermético al aire. En algunas modalidades, el alojamiento puede incluir uno o más mecanismos de ventilación.
A. Alojamiento de plástico con "cuádrete" de cuatro celdas, compartido y sistema de compuerta de relleno/escape de electrolito La disposición y el diseño de una estructura de celda de plástico puede ser optimizada o mejorada para eficiencia espacial, resistencia, moldeabilidad, y pérdidas de resistencia internas mínimas o reducidas debido a la resistencia disminuida intre-celdas .
Un diseño de estructura de celda, de acuerdo con una modalidad de la invención, puede incorporar un sistema de manejo de electrolito, centralizado, común, que puede ser compartido por cuatro celdas horizontalmente orientadas, individualmente estructuradas. En otras modalidades, el sistema de manejo de electrolito, centralizado, puede ser compartido por cualquier número de celdas, incluyendo pero no limitadas a uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez, once, doce, trece, catorce quince, dieciséis, diecisiete, dieciocho, diecinueve, veinte, o más celdas. Este diseño puede permitir el espaciamiento "centralizado" óptimo, la capacidad de apilamiento físico y la conectividad eléctrica óptima del sistema de tubería.
La Figura 5 muestra un ejemplo de una configuración de apilamiento de batería de un sistema de almacenamiento de energía. Las paredes externas de las estructuras de plástico 500a, 500b, 500c, 500d pueden formar una pared de alojamiento 502. En algunas modalidades, las cuatro celdas 504a, 504b, 504c, 504d pueden formar un cuádrete 504 con un sistema de manejo de electrolito centralizado, compartido 506.
Cualquier número de celdas puede ser apilada una sobre la parte superior de la otra. Por ejemplo, cuatro celdas 504c, 504e, 504f, 504g pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. En algunas modalidades, 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, once o más, quince o más, veinte o más, treinta o más, o cincuenta o más celdas pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. Uno o más pasajes del flujo de aire 508a, 508b, 508c, 508d pueden ser proporcionados para cada celda. La pluralidad de celdas verticalmente apiladas pueden ser seleccionadas para lograr un voltaje deseado. Si las celdas verticalmente apiladas son conectadas en serie, el número de celdas verticalmente apiladas puede corresponder a un nivel de voltaje incrementado. Como se describe en otro sitio en la presente, puede ser utilizado un céntrodo para crear una conexión en serie entre las celdas.
Cualquier número de cuadretes o pilas de cuadretes pueden ser proporcionadas adyacentes uno al otro. Por ejemplo, un primer cuádrete 504 puede está adyacente a un segundo cuádrete 510. Una o más hileras de cuadretes y/o una o más columnas de cuadretes pueden ser proporcionadas 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 los cuadretes, en donde i y j son cualesquiera números enteros mayores que o iguales a 1, incluyendo, pero no limitados a l, 2, 3, 4, 5, S, 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 estar colocados de cualquier manera uno con respecto al otro. Los espacios vacíos pueden o no ser proporcionados entre las celdas o cuadretes adyacentes. Alternativamente, las celdas y/o los cuadretes adyacentes pueden estar eléctricamente conectados uno al otro. En algunas modalidades, una o más celdas, o uno o más cuadretes pueden compartir una estructura común con la celda o cuádrete adyacente. En otras modalidades, cada celda o cuádrete puede tener su propia estructura, la cual puede o no hacer contacto con la estructura de la celda o cuádrete adyacente.
Como se discutió previamente, cualquier número de celdas pueden compartir un sistema de manejo de electrolito líquido, centralizado, común. Cuatro celdas cuadriláteras pueden compartir un sistema de manejo de electrolito centralizado, común, formando un cuádrete. En otros ejemplos, seis celdas triangulares pueden compartir un sistema de manejo de electrolito centralizado, común o tres celdas hexagonales pueden compartir un sistema de manejo de electrolito centralizado, común. Cualquier combinación de formas de celda pueden ser utilizadas, en donde una esquina de una o más celdas puede compartir un sistema de manejo de electrolito centralizado, común. Cualquier referencia a los cuadretes puede ser aplicada a otros números o configuraciones de celdas que pueden compartir un sistema de manejo de electrolito centralizado, común. Las conexiones conductoras de cruce horizontal y/o vertical pueden ser proporcionadas . Esto puede proporcionar redundancia de conexión .
B . Diseño de sistema de goteo controlado por tubería y gravedad, único La Figura 6 muestra un ejemplo del sistema de manejo de electrolito centralizado, 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 de manejo de electrolito común. El sistema de manejo de electrolito puede incluir un reborde 602a, 602b, 602c para cada celda. El reborde puede ayudar con la contención del electrolito líquido dentro de la celda. El sistema de manejo de electrolito puede también incluir una o más porciones inclinadas o verticales 604a, 604b, 604c. La porción inclinada o vertical puede dirigir el electrolito para fluir hacia la celda. En algunas modalidades, la combinación de reborde y porción inclinada o vertical puede capturar el electrolito proporcionado desde arriba de la celda. En algunas modalidades, una o más protuberancias de soporte 606a, 606b, 606c pueden ser proporcionadas. El sistema de manejo de electrolito centralizado puede también incluir una protuberancia prismática 608a, 608b, 608c que permite que el electrolito rebosante gotee hacia las celdas subyacentes y/o un tanque de captura de electrolito debajo.
En un ejemplo, el líquido de electrolito puede ser atrapado por un reborde de rebosamiento 602a de una primera celda 600a. El líquido de electrolito puede fluir hacia abajo de la porción inclinada o vertical 604a y llegar a contenerse dentro de la celda. Si el electrolito líquido se reboza de la primera celda, éste puede fluir sobre el reborde de rebosamiento, y dentro de la protuberancia prismática 608a. Después de fluir a través de la protuberancia prismática, el líquido será atrapado por el reborde 602d y la porción inclinada o vertical 604d de una segunda celda 600d situada debajo de la primera celda. El electrolito puede ahora ser capturado y contenido dentro de la segunda celda. Si la segunda celda está rebosando o subsecuentemente rebosa, el fluido de electrolito puede fluir a través de la protuberancia prismática 608d de la segunda celda, y puede ser atrapado por una tercera celda 600e, o puede continuar fluyendo hacia abajo hacia celdas adicionales abajo.
Cuando se llena inicialmente un sistema de batería con el electrolito líquido, las celdas sobre la parte superior pueden ser primeramente llenadas, y luego el electrolito líquido puede rebosar hacia las celdas o cuadretes subyacentes, el cual puede entonces fluir dentro de las celdas o cuadretes subyacentes adicionales, para que sean proporcionadas no obstante muchas capas de celdas verticales. Eventualmente , todas las celdas en una configuración de apilamiento vertical pueden ser llenadas con el electrolito y el electrolito en exceso puede ser capturado por una charola de depósito inferior, localizada debajo de las celdas.
Cualquiera de las características del sistema de manejo de electrolito pueden ser integrales a la estructura de la celda y pueden ser separadas o separables de la estructura de la celda. En algunas modalidades, las configuraciones de los componentes pueden ser moldeadas por inyección .
El sistema de manejo de electrolito puede manejar continuamente niveles de electrolito líquido en cada una de los cuatro "cuadretes" de celda para asegurar el contacto eléctrico constante y uniforme con la porción inferior de cada electrodo de aire. Suficiente electrolito puede ser proporcionado a las celdas, de modo que los electrolitos pueden hacer contacto con la porción inferior (por ejemplo, 610a) de un electrodo en contacto con el aire. En algunas modalidades, la porción inferior puede ser un electrodo metálico/ánodo. En otras modalidades, suficiente electrolito puede o no ser proporcionado a la celda para asegurar que el electrolito haga contacto con una porción inferior 612a de una sobrecarga de electrolito de aire. La porción inferior del electrodo en contacto con el 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 preferidas, una protuberancia prismática o reborde puede ser configurada para romper o desconectar cualquier conexión potencial de líquido conductor que fluye entre las celdas. La protuberancia prismática puede romper el líquido de electrolito en gotas individuales de tamaño pequeño. La protuberancia prismática puede controlar la velocidad de flujo de cualquier electrolito rebosante.
El sistema de manejo de electrolito puede ser útil para permitir el rebosamiento y manejo eficiente del electrolito. El electrolito rebosante puede ser capturado por las celdas debajo y puede fluir hacia abajo hasta que éste es capturado por un tanque colocado debajo.
El sistema de manejo de electrolito puede también permitir que los gases generados, no deseados, sean ventilados de manera segura. En algunas modalidades, los gases pueden ser ventilados a través de pasajes formados por las porciones prismáticas, ya sea de conexión hacia arriba o hacia abajo.
Ventajosamente, el sistema de manejo de electrolito puede reabastecer las celdas con el electrolito líquido vía un sistema de goteo, controlado por gravedad. Las celdas pueden ser reabastecidas por el rebosamiento desde las celdas localizadas por arriba, o desde una fuente de electrolito. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 4A, el electrolito puede ser suministrado a un tanque de retención superior. El electrolito puede ser suministrado a las celdas o al tanque de retención de cualquier otra manera.
Como es proporcionado en las modalidades de la invención, el rebosamiento asistido por gravedad, junto con una compuerta de relleno común para cada celda puede ser generalizado y utilizado en cualquier otro dispositivo de almacenamiento de energía donde los niveles de electrolito líquido pueden cambiar durante la carga y descarga. Tales sistemas de manejo de líquidos no necesitan estar limitados a las celdas de metal-aire, tales como las celdas de zinc-aire descritas aquí. Otros tipos de celdas de almacenamiento de energía pueden también beneficiarse del uso de sistemas de manejo de líquido, similares. Los niveles de electrolito líquido pueden ser ajustados de manera automática de modo que el líquido únicamente toca la porción inferior de cada electrodo en contacto con el aire individual .
Una modificación adicional a este diseño involucra la fabricación de cada celda con una cavidad ahuecada contenida sobre un lado. Esta cavidad puede funcionar como un depósito de líquido donde los volúmenes de electrolito en exceso pueden ser almacenados de manera segura, como sea necesario. Cuando los volúmenes de electrolito disminuyen, el líquido en exceso almacenado en esta cavidad puede fluir automáticamente vía la gravedad y ser utilizados para rellenar la celda asegurando de este modo que todas las partes del lado de cara al electrolito (porción inferior) del electrodo en contacto con el aire permanezcan en contacto con el electrolito líquido.
C. Diseño de compresión para conflabilidad La Figura 5 proporciona una vista de una configuración de apilamiento de batería. Como se describió previamente, en algunas modalidades, las superficies externas de las estructuras de las celdas pueden formar un alojamiento. En algunas modalidades, todas las superficies de selladura críticas pueden estar bajo carga compresiva vertical para la conflabilidad de selladura agregada, a largo plazo. Por ejemplo, una carga por compresión puede ser aplicada al apilamiento de celdas, que pueden distribuir la carga por compresión a las estructuras. Esto provoca que las estructuras sean comprimidas entre sí y formen un sello. La carga compresiva puede ser proporcionada en una dirección que comprime un apilamiento de celdas entre sí. La carga compresiva puede ser proporcionada en una dirección perpendicular a un plano formado por un electrodo metálico o el electrodo en contacto con el aire de la celda. En algunas modalidades, la carga compresiva puede ser proporcionada en una dirección vertical.
Los montajes de céntrodo pueden ser emparedados entre estructuras de plástico correspondientes para formar una serie de celdas individualmente selladas. Como se discutió previamente, los céntrodos pueden ser formados cuando un electrodo metálico de una celda es eléctricamente conectado al electrodo en contacto con el aire de otra celda. En una modalidad, esta conexión eléctrica puede ser formada cuando un electrodo metálico es rizado alrededor de un electrodo en contacto con el aire. Esto puede permitir una conexión en serie entre las celdas. En algunas modalidades, puede ser aplicada una fuerza de compresión entre las celdas. La fuerza de compresión puede ser aplicada a la conexión entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire. La aplicación de una fuerza que reúne el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire pueden mejorar la conexión eléctrica entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire. En algunas modalidades, el punto de contacto del electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire puede ser emparedado entre estructuras de plástico, y la carga compresiva puede proporcionar una fuerza de compresión entre las estructuras y los contactos. Un sello hermético al fluido puede ser formado, el cual puede prevenir que el electrolito fluya desde una celda a otra vía el contacto estructural con el céntrodo. Este sello puede ser realizado o soportado con adhesivo.
Las paredes externas y las divisiones internas (la cuales pueden formar estructuras de las celdas) pueden ser miembros estructurales diseñados para alojar y sellar apropiadamente los trabajos internos de cada celda, y aplicar cargas compresivas sobre juntas de celda críticas y superficies de selladura. Esto proporciona un sistema estructural fácilmente ensamblado, de diseño confiable y ventajoso cuando las celdas individuales son verticalmente apiladas. La Figuras 1 y la Figura 2 muestran cómo las celdas individuales pueden ser apiladas verticalmente. En algunas modalidades, un apilamiento puede ser cargado con una fuerza de compresión que puede ser aplicada a las estructuras y/o conexiones entre los electrodos metálicos y los electrodos en contacto con el aire.
D . Sub-montaje de electrodo metálico, electrodo en contacto con el aire La Figura 1 muestra una conexión entre un electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire. En algunas modalidades, un método de montaje por estampado riza el electrodo metálico sobre el electrodo en contacto con el aire, formando una sección de sombrero para que el aire pase al través. En algunas modalidades, el electrodo metálico puede ser rizado sobre el electrodo en contacto con el aire de modo que una porción del electrodo metálico hace contacto con un borde sobre un primer lado del electrodo en contacto con el aire y un borde sobre un segundo lado del electrodo en contacto con el aire. En otras modalidades, el electrodo en contacto con el aire puede ser rizado sobre el electrodo metálico, de modo que una porción del electrodo en contacto con el aire hace contacto con un borde sobre un primer lado del electrodo metálico y un borde sobre un segundo lado del electrodo metálico. El electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire pueden ser rizados conjuntamente de cualquier manera de modo que éstos son flexionados o plegados uno sobre el otro con diversas configuraciones. En algunas modalidades, éstos son rizados o de otro modo acoplados entre sí, de modo que éstos hacen contacto uno con el otro sin requerir flexiones o pliegues. Otras maneras de formar una conexión eléctrica, como se mencionó anteriormente, pueden ser también utilizadas.
Un montaje de electrodo de contacto de ánodo metálico puede utilizar diferentes materiales que son rizados para formar una conexión de flujo eléctrico a lo largo de ambos bordes de la trayectoria de aire. En algunas modalidades, los ejemplos de materiales para el electrodo metálico pueden incluir zinc (tal como una amalgama de polvo de zinc), o mercurio. Los ejemplos de materiales para el electrodo en contacto con el aire pueden incluir carbono, Teflón, o manganeso.
Un montaje de electrodo puede ser proporcionado donde el electrodo metálico proporciona el piso sellado del recipiente de electrolito por encima, mientras que el electrodo en contacto con el aire forma la cubierta sellada para el depósito de electrolito debajo. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 1, un electrodo metálico 104a puede formar el piso de un depósito de electrolito 106a. El electrodo en contacto con el aire 102a puede formar la cubierta para el depósito de electrolito. El electrodo metálico y/o el electrodo en contacto con el aire pueden ser sellados .
Un céntrodo formado por el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire pueden tener cualesquiera dimensiones. Una o más de las dimensiones (por ejemplo, longitud o anchura) pueden ser de aproximadamente 2.43 cm (1 pul), 3.89 cm (1.5 pul), 5.08 era (2 pul), 7.62 cm (3 pul), 10.16 cm (4 pul), 12.7 cm (5 pul), 15.24 cm (6 pul), 17.78 cm (7 pul), 20.32 cm (8 pul), 22.86 cm (9 pul), 25.4 cm (10 pul), 27.94 cm (11 pul), 30.48 cm (12 pul) o más.
E . Diseño conductor cruzado entre celdas La Figura 7 muestra una vista adicional de una configuración de apilamiento de batería con conexiones de electrodo metálico-electrodo en contacto con el aire. Una configuración de montaje de electrodo metálico— electrodo en contacto con el aire, puede ser proporcionada donde las pestañas rizadas vecinas u otras extensiones de los céntrodos se traslapen o se toquen, creando una configuración en serie repetible, modular y horizontal y verticalmente conectada eléctricamente .
Una primera celda puede incluir miembros estructurales 700a, 700c, y puede tener un electrodo metálico 702a. El electrodo metálico puede ser rizado alrededor del electrodo en contacto con el aire 704b de una celda subyacente. En algunas modalidades, el electrodo metálico de una celda vecina 702c puede ser rizado alrededor del electrodo en contacto con el aire en su celda subyacente 704d. En algunas modalidades, la conexión eléctrica formada por el electrodo metálico 702a y el electrodo en contacto con el aire 704b puede estar en comunicación eléctrica con la conexión eléctrica formada por el electrodo metálico 704c y el electrodo en contacto con el aire 704d. Por ejemplo, uno de los electrodos metálico 702c puede hacer contacto con el otro electrodo metálico 702a. Alternativamente, la conexión eléctrica entre las celdas vecinas puede ser formada mediante cualquier combinación de electrodos metálicos y/o electrodos en contacto con el aire haciendo contacto uno con el otro. En algunas modalidades, las conexiones eléctricas entre las celdas traslapadas y subyacentes y las celdas adyacentes (por ejemplo, la conexión entre 702c, 704d, 702a, 704b) puede ser proporcionada entre las estructuras (por ejemplo, 700c, 700d) .
La Figura 7 muestra un ejemplo de cómo los electrodos metálicos y los electrodos pueden realizar las conexiones eléctricas mediante rizado y plegamiento. No obstante, cualquier combinación de contactos entre los electrodos metálicos y los electrodos en contacto con el aire plegados sobre y haciendo contacto uno con el otro, puede ser utilizada de acuerdo con diversas modalidades de la invención. Las posiciones de los electrodos metálicos y los electrodos en contacto con el aire pueden ser invertidas en modalidades alternativas de la invención, y cualquier discusión relacionada a las posiciones del electrodo metálico pueden aplicar a las posiciones del electrodo en contacto con el aire y viceversa.
Las pestañas rizadas traslapadas o de otro modo dóciles pueden permitir una conexión eléctrica en serie o en serie-paralelo para la conflabilidad, simplicidad y flexibilidad del sistema. Por ejemplo, una ventaja de tal sistema puede ser que son necesarios menos cables y puntos de conexión debido a que cada hilera en una estructura de celda puede ser eléctricamente conectada en serie vía las pestañas rizadas traslapadas.
La Figura 9A proporciona una vista inferior de un montaje de estructura de la celda con conexiones eléctricas. Una o más celdas 900a, 900b, 900c, 900d pueden formar un cuádrete con un sistema de manejo de electrolito común 902. El fondo de una celda puede ser formado de un electrodo metálico. Uno o más componentes estructurales 904a, 904b, 904c, 904d, 906a, 906b pueden ser proporcionados, separando las celdas. En algunas modalidades, las conexiones eléctricas entre celdas pueden ser proporcionadas para celdas adyacentes. Por ejemplo, las conexiones eléctricas pueden ser proporcionadas entre dos o más celdas dentro de una hilera, tal como entre una primera celda 900a y una segunda celda 900b. Una conexión eléctrica puede ser proporcionada cerca de una estructura 904a entre las celdas. Las conexiones eléctricas pueden ser proporcionadas entre dos o más celdas dentro de una columna, tal como entre una primera celda 900a y una segunda celda 900c. Una conexión eléctrica puede ser proporcionada cerca de una estructura 906a entre las celdas.
Las conexiones eléctricas pueden ser proporcionadas para cualquier combinación de celdas adyacentes dentro de una hilera o columna.
En algunas modalidades, las conexiones eléctricas no son proporcionadas entre las celdas adyacentes. En algunas modalidades, pueden ser proporcionadas conexiones eléctricas únicamente entre celdas traslapadas y subyacentes que forman una pila.
La Figura 9B muestra una vista de un montaje estructural y uno o más céntrodos . Una estructura 880 puede estar proporcionando una o más celdas simples o cuadretes, o una pluralidad de celdas simples o cuadretes. Uno o más céntrodos 882a, 882b pueden ser formados de un electrodo metálico 884 y un electrodo en contacto con el aire 886. Un céntrodo puede ser formado para caber dentro de la estructura. En algunas modalidades, la estructura puede descansar sobre los céntrodos de modo que una porción lateral de la estructura forma una pared de una celda y el electrodo metálico del céntrodo forma el piso de la celda. Una pluralidad de céntrodos adyacentes, por ejemplo, 882a, 882b pueden estar eléctricamente conectados uno al otro. Por ejemplo, un céntrodo puede tener un punto donde el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire hacen contacto uno con el otro 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 céntrodo puede estar formado de modo que un túnel de aire 890 es proporcionado entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire.
La estructura 880 puede incluir un montaje de distribución de electrolito 892 que puede estar integralmente formado en la estructura. El montaje de distribución de electrolito puede incluir una ranura 894 que puede permitir que el electrolito fluya a las celdas subyacentes. El montaje de distribución de electrolito puede incluir un borde de rebosamiento 896 que puede determinar cuándo un electrolito rebosa hacia la ranura. En algunas modalidades, la altura del borde de rebosamiento puede proporcionar tolerancia para cuando las celdas o el sistema de batería completo se inclina. Incluso si el sistema de batería completo es inclinado, si el borde de rebosamiento es suficientemente alto, suficiente electrolito será retenido dentro de las celdas antes del rebosamiento.
La estructura puede también incluir un anaquel 898 que puede sobresalir desde la estructura. El electrodo metálico 884 puede hacer contacto el anaquel. En algunas modalidades, un sello hermético al fluido puede ser formado entre el electrodo metálico y el anaquel. El contacto entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire 888 puede hacer contacto una porción inferior de la estructura 881. La porción inferior de la estructura puede descansar sobre la parte superior del punto de contacto. Una conexión hermética al fluido puede o no ser formada. Una porción inferior 883 de una estructura puede descansar sobre la parte superior de un punto de contacto formado entre céntrodos adyacentes.
F . Configuración apilable y montaje modular La Figura 5 muestra un diseño que utiliza un componente estructural de plástico que esencialmente empareda los múltiples céntrodos entre dos de las estructuras comunes. Esto puede proporcionar ventajosamente un diseño simplificado. Por ejemplo, como se muestra, una estructura puede ser proporcionada formando un patrón de cuadrícula que puede abarcar múltiples celdas. Las estructuras en patrón de cuadrícula pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. En algunas modalidades, las estructuras en patrón de cuadrícula pueden ser formadas de una pieza integral simple. Alternativamente, las estructuras en patrón de cuadrícula pueden ser formadas de múltiples piezas que pueden ser conectadas una a la otra. Las múltiples piezas pueden o no ser desprendibles . Los céntrodos 512a, 512b pueden ser proporcionados entre las estructuras 514a, 514b, 514c.
El diseño estructural puede incluir un sistema de manejo de agua. El sistema de manejo de agua puede ser proporcionado en la Figura 4, que puede mostrar entradas de agua, compuertas de rebosamiento elevadas y bordes de goteo prismáticos, como se describió previamente. El sistema de manejo de agua puede ser utilizado para asegurar un nivel deseado de electrolito dentro de una o más celdas.
Cuando se apila, el diseño de la estructura de plástico puede formar una serie de tubos verticales que permiten que el agua rebose, que hace gotear el reabastecimiento de electrolito y el escape del gas. Como se discutió previamente con relación a la Figura 4 y a la Figura 6, un sistema de manejo de electrolito puede ser proporcionada. Cuando las estructuras son apiladas una sobre la otra, el sistema de manejo de electrolito puede ser proporcionado para las pilas de celdas.
La configuración de montaje estructural apilable puede ser modular y eficiente. Los perfiles de plástico pueden conformarse a la forma de acoplamiento del electrodo metálico debajo, y al electrodo en contacto con el aire por arriba de la celda debajo de éste, que puede permitir una configuración modular con menos partes. La Figura 1 y la Figura 2 proporcionan un ejemplo de un apilamiento de celdas con perfiles en las estructuras que pueden ser moldeados para conformarse a la conexión del electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire conexión. Dependiendo de la forma de la conexión del electrodo metálico y del electrodo en contacto con el aire, las estructuras pueden ser formadas para conformarse a la forma de la conexión. En algunas modalidades, uno o más rebordes, muescas, canales, protuberancias, u orificios pueden ser proporcionados sobre la estructura de plástico para complementar un perfil conformado correspondiente de la conexión electrodo metálico-electrodo en contacto con el aire. En algunas modalidades, la forma complementaria puede mantener la estructura libre de desplazamiento horizontalmente en una o más direcciones. Cualesquiera perfiles pueden ser integrales a la celda o separables de la celda. En algunas modalidades, los perfiles estructurales pueden ser moldeados por inyección.
G . Instalación modular y configuraciones de utilización Múltiples configuraciones de batería pueden ser logradas al elevar o disminuir la escala del diseño estructural. Por ejemplo, el diseño estructural puede incluir una estructura de celda simple, estructura de celda de cuádrete, o múltiples cuadretes en una estructura simple. El diseño estructural para cada agrupamiento (por ejemplo, celda simple, celda de cuádrete, cuadretes múltiples) puede ser formado de una pieza integral simple. Alternativamente, el diseño estructural podría incluir múltiples partes.
En algunas modalidades, múltiples estructuras pueden también ser proporcionadas adyacentes una a la otra. Por ejemplo, múltiples estructuras de una sola celda, estructuras de celda de cuádrete o estructuras de múltiples cuadretes pueden ser proporcionadas adyacentes una a la otra. Las estructuras proporcionadas adyacentes una a la otra pueden o no estar conectadas una con la otra utilizando un conectador. En algunas modalidades, puede ser proporcionada una fuerza para mantener las estructuras una contra la otra.
Las estructuras pueden ser apiladas a cualquier altura deseada dependiendo de las demandas de energía y de almacenamiento. Cualquier número de estructuras pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. Por ejemplo, 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, once o más, quince o más, veinte o más, treinta o más, sesenta o más, noventa o más, 120 o más, ó 150 o más estructuras pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. En algunas modalidades, cada estructura puede ser de aproximadamente .17 mm (1/8 de pul), 6.35 mm (1/4 pul), 12.7 mm (1/2 pul), 19.05 mm (3/4 pul), 2.54 cm (1 pul), 3.17 cm (1.25 pul) , 3.81 cm (1.5 pul) , 5.08 cm (2 pul), 6.35 cm (2.5 pul), 7.62 cm (3 pul), 10.16 cm (4 pul) , 12.7 cm (5 pul), 15.24 cm (6 pul), 20.32 cm (8 pul), 25.4 cm (10 pul) , o 30.48 cm (12 pul) de altura. En algunas modalidades, una altura total de una pila de estructuras puede ser del orden de aproximadamente 2.54 cm (1 pul o más) , 7.62 cm (3 pul o más) , 15.24 cm (6 pul o más) , 30.48 cm (1 pie o más), 0.60 cm (2 pies o más), 91.4 cm (3 pies o más), 1.524 cm (5 pies o más), 4.8 cm (10 pies o más), o 609.6 cm (20 pies o más).
Las pilas de estructuras individuales pueden ser orientadas en diversas direcciones para optimizar la circulación de aire. Por ejemplo, los túneles de aire pueden ser proporcionados dentro de las celdas . En algunas modalidades, los túneles de aire pueden ser proporcionados entre las celdas. Por ejemplo, un túnel de aire continuo puede ser formado entre celdas adyacentes. Los túneles de aire pueden ser proporcionados para columnas de celdas y/o para hileras de celdas. En algunas modalidades, estos túneles de aire pueden ser paralelos uno al otro. En otras modalidades, uno o más túneles de aire pueden ser perpendicular uno al otro. En algunas modalidades, los túneles de aire pueden ser formados de una línea recta, o en otras modalidades, los túneles de aire pueden tener flexiones o curvas. En algunas modalidades, cuando las celdas pueden estar ligeramente inclinadas, los túneles de aire pueden estar sustancialmente horizontalmente orientados pero tienen una ligera elevación y caen para acomodar la inclinación de las celdas. El aire puede fluir en la misma dirección para los túneles de aire paralelos, o puede fluir en direcciones opuestas. En algunas modalidades, un túnel de aire puede ser confinado a un nivel simple. En otras modalidades, pueden ser proporcionados pasajes que pueden permitir que un túnel de aire sea proporcionado sobre múltiples niveles de los apilamientos . Cualquier combinación de estas configuraciones pueden ser utilizadas. Una pila o serie de pilas pueden ser utilizadas en diversas configuraciones e instaladas en diversos alojamientos. Por ejemplo, las alturas en los apilamientos pueden variar. De manera similar, el número de celdas proporcionadas por nivel de un apilamiento puede variar. En algunas modalidades, los tamaños o formas de las celdas individuales pueden ser uniformes, mientras que en otras modalidades, los tamaños o formas de las celdas individuales pueden variar. Los tamaños del alojamiento pueden variar dependiendo del tamaño de los apilamientos. Por ejemplo, un sistema de almacenamiento de energía total puede tener una o más dimensiones (por ejemplo, altura, anchura, longitud) del orden de centímetros (pulgadas) , centímetros (pies) , metros (decenas de pies) o más metros (cientos de pies) . Cada dimensión puede estar dentro del mismo orden de magnitud, o puede estar dentro de órdenes variantes de magnitud. Una pila o serie de pilas pueden ser configuradas como un sistema de celda de combustible vía el intercambio o el reabastecimiento del electrolito, y el empaquetamiento de los sistemas de soporte. Por ejemplo, un sistema de celda de combustible de zinc-aire, puede incluir la adición de zinc metálico y la remoción del óxido de zinc. Como se mencionó previamente, pueden ser agregadas pellas de zinc al electrolito. El óxido de zinc o el cloruro de zinc pueden ser removidos hacia un tanque de desecho.
H . Recipiente de carga aislado y utilización de máquina HVAC La Figura 8A muestra un ejemplo de un recipiente de carga aislado y la utilización de la máquina HVAC para un apilamiento de batería de acuerdo con una modalidad de la invención. Una pluralidad de módulos 800a, 800b, 800c pueden ser proporcionados dentro de un alojamiento 802. Cada módulo puede tener una charola superior 804, una o más pilas de celdas (las cuales pueden incluir uno o más niveles/capas de celdas simples, celdas de cuádrete, y/o cualquier número de celdas) 806, y una charola de fondo o deslizadera 808. Ver también la Figura 8H. Cada pila de celdas puede tener una tubería, con lo cual el electrolito puede ser enviado o desconectado a una pila o sección dada de un apilamiento. Similarmente, las conexiones eléctricas pueden ser segregadas y desconectadas a ciertos apilamientos .
En un ejemplo, 16 módulos 800a, 800b, 800c de 960 celdas de cuadretes pueden ser proporcionados. Dos hileras, cada uno teniendo ocho módulos pueden ser proporcionadas. En diversas modalidades de la invención, puede ser proporcionado cualquier número de módulos, incluyendo pero no limitados 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 pueden estar acomodados en una o más hileras y/o una o más columnas. En algunas modalidades, los módulos pueden estar acomodados en un arreglo. Un alojamiento 802 puede ser formado para ajustar los módulos. En algunas modalidades, el alojamiento puede ser de aproximadamente 12.2 m (40 pies), 13.7 m (45 pies), 15.2 m (50 pies) ó 15.8 m (52 pies) de longitud.
Un módulo puede tener cualesquiera dimensiones. En algunas modalidades, un módulo puede ser de aproximadamente 15.2 m (50 pul) por 13.4 m (44 pul) . En un ejemplo, un módulo puede comprender 80 ó 120 o más pilas de 15 o más o menos celdas de cuádrete. No obstante, un módulo puede ser formado de cualquier número de niveles/capas en pilas, incluyendo pero no limitadas 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 pilas puede incluir cualquier número de celdas simples o en cuádrete. Por ejemplo, cada nivel/capa de pilas 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 simples o células de cuádrete por nivel/capa.
En algunas modalidades, un módulo puede incluir una charola superior 804. La charola superior puede ser configurada para aceptar el electrolito. En algunas modalidades, la charola superior puede ser configurada para distribuir el electrolito a una o más celdas. La charola superior puede estar en comunicación fluida con los sistemas de manejo de electrolitos de las celdas. En algunas modalidades, la charola superior puede estar en comunicación fluida con una o más celdas. La charola superior puede incluir una o más protuberancias. Una o más protuberancias puede proporcionar el soporte estructural para una cubierta sobre la charola. La charola superior puede incluir uno o más canales o muescas. En algunas modalidades, la charola superior puede incluir uno o más orificios o vías de paso que proporcionan comunicación fluida a las capas subyacentes.
Un módulo también puede incluir una charola o deslizadera inferior 808. En algunas modalidades, la charola o deslizadera inferior puede recolectar el electrolito que puede rebosar desde las pilas superiores. La charola o deslizadera inferior puede contener el electrolito recolectado o puede transferirlo a otro sitio.
Un diseño modular puede ser ideado para caber en diversos recipientes de carga del estándar 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 6.1 m (20 pies), 12.2 m (40 pies), 13.7 m (45 pies), 14.6 m (48 pies), y 16.2 m (53 pies) . Un recipiente ISO puede tener una anchura de aproximadamente 12.43 m (8 pies). En algunas modalidades, un recipiente puede tener una altura de aproximadamente 2.9 m (9 pies 6 pul) o 1.3 m (4 pies 3 pulgadas) o 2.6 m (8 pies 6 pul) . Un diseño modular puede también ser ideado para caber en cualesquiera otros recipientes estándares, tales como recipientes de flete de aire. El diseño modular puede proporcionar flexibilidad para el sistema de almacenamiento de energía para caber dentro de los recipientes o estructuras pre-existentes .
Un diseño modular puede tomar ventaja del manejo de equipos existentes de refrigeración y manejo de aire acoplados a los recipientes aislados como una solución de HVAC completa.
El enfriamiento convencional puede ser logrado al colocar adecuadamente las ventilas de enfriamiento hacia la parte externa del alojamiento.
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 charola superior, una charola inferior, 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 simple, un cuádrete de celdas, una pluralidad de celdas, o una pluralidad de cuadretes de celdas. Por ejemplo una capa puede ser hecha de un arreglo m x n de celdas o un arreglo m x n de cuadretes, en donde m y/o n pueden ser independientemente seleccionados de cualquier número entero mayor que o igual a 1, incluyendo pero no limitados 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 partes de un sistema de manejo de electrolito. En algunas modalidades, cada cuádrete puede compartir una o más partes de un sistema de manejo de un electrolito.
En algunas modalidades, un módulo puede ser un módulo de 50 kW/300 kWh. En otras modalidades, un módulo puede tener cualquier otra potencia/energía. 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, 500 kW o más, 750 kW o más, 1 MW o más, 2 MW o más, 3 MW o más, 5 MW o más, 10 MW o más, 20 MW o más, 50 MW o más, 100 MW o más, 200 MW o más, 500 MW o más, ó 1000 MW o más. Un módulo puede también proporcionar 50 kWh o más, 100 kWh o más, 200 kWh o más, 250 kWh o más, 300 kWh o más, 350 k h o más, 400 kWh o más, 500 kWh o más, 700 kWh o más, 1 MWh o más , 1.5 MWh o más , 2 MWh o más , 3 MWh o más , 5 MWh o más , 10 MWh o más, 20 MWh o más, 50 MWh o más, 100 MWh o más, 200 MWh o más, 500 MWh o más, 1000 MWh o más, 2000 MWh o más, o 5000 MWh o más.
La Figura 8B muestra las porciones inferiores de los módulos de batería de acuerdo con una modalidad de la invención. Las porciones inferiores pueden incluir una o más pilas 820 las cuales pueden incluir una o más capas/niveles 836 de celdas. El módulo de batería puede incluir un soporte 824 de la pila de baterías debajo de las capas de celdas. El soporte de la pila puede soportar la pila bajo un tanque inferior 822. El tanque inferior puede estar configurado para contener electrolito que puede fluir desde las pilas. El soporte de pila puede ser configurado para prevenir que el electrolito haga contacto con el fondo de las pilas, tal como un electrodo en contacto con el 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 el soporte para mantener el soporte de pila suspendido sobre las porciones de tanque inferior.
En algunas modalidades, el tanque de almacenamiento de electrolito, inferior, que puede ser termoformado, puede recibir el rebosamiento de electrolito y ayudar en la circulación del electrolito dentro del sistema de batería. Por ejemplo, el tanque inferior puede dirigir el electrolito hacia un tanque de pruebas, y luego hacia un tanque superior, el cual puede distribuir el electrolito hacia una o más pilas. El tanque inferior se conecta fluidamente a uno o más miembros de distribución de fluido 826 que pueden incluir tubos, canales o cualquier otro pasaje para la distribución del fluido, conocidos en la técnica.
Una pila 820 dentro de un módulo de batería puede incluir una o más capas o niveles 836. Un nivel o capa puede incluir una estructura 830. La estructura puede ser moldeada por inyección o formada de cualquier otra manera. En algunas modalidades, una estructura simple integralmente formada puede ser proporcionada por capa o nivel . En otras modalidades, múltiples estructuras o porciones separables de estructuras pueden ser proporcionadas por capa o nivel . En algunas modalidades, una estructura puede incluir una porción de un sistema de manejo de electrolito 832. El sistema de manejo de electrolito puede ser integralmente formado dentro de la estructura. Cuando las capas de las estructuras son apiladas verticalmente, las porciones del sistema de manejo de electrolito pueden llegar a alinearse verticalmente y permitir que el electrolito sea distribuido a las celdas 834 dentro de las capas.
Una celda 834 puede ser formada estando rodeada por una estructura 830 y soportada por un electrodo 828. En modalidades preferibles, la superficie del electrodo que forma la porción inferior de la celda puede ser un electrodo metálico. Un electrolito puede fluir hacia la celda y ser soportado por el electrodo y contenido por la estructura. Cualquier rebosamiento del electrolito puede fluir hacia el sistema de manejo de electrolito 832 y puede ser distribuido a una celda subyacente, o puede fluir por toda la vía hacia el 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 coberturas. Como se mencionó previamente, en algunas modalidades, un alojamiento puede ser un recipiente estándar, tal como un recipiente de embarque.
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 pueden ayudar con la circulación del electrolito dentro del sistema o una reserva o suministro de agua para asegurar la mezcla de electrolito consistente cuando ocurre 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 tales como una fuente de presión positiva, o fuente de presión negativa pueden ser utilizadas dentro del sistema de electrolito, con lo cual se ayuda en la circulación de electrolito. En algunas modalidades, el tanque puede tener una entrada y/o salida desde el sistema. La entrada y/o salida puede ser utilizada para eliminar los desechos o el material filtrado, para proporcionar aditivos, ventilar gases o el fluido en exceso, o para proporcionar fluido fresco hacia el sistema. En algunas modalidades, uno o más miembros 846 de conducción de electrolito pueden ser proporcionados dentro del sistema de batería. El miembro de conducción de electrolito puede ser un tubo, un canal, o cualquier otro montaje capaz de transportar el fluido desde el tanque hacia los tanques superiores de las pilas directamente o vía una tubería. Los miembros de conducción de electrolito pueden transferir el electrolito desde un tanque 844a, 844b hacia uno o más módulos 850. En algunas modalidades, el electrolito puede ser transferido a una charola o tanque superior del módulo. En algunas modalidades, los miembros de conducción de electrolito pueden ser utilizados para transferir el electrolito desde un módulo hacia un tanque 844a, 844b. El miembro conductor de electrolito puede transferir el electrolito desde una charola o tanque inferior 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 provocar que el aire sea circulado dentro del sistema de batería. En algunas modalidades, el montaje de flujo de aire puede provocar que el aire fluya dentro de los módulos. En algunas modalidades, el montaje de flujo de aire puede provocar que el aire fluya en túneles de aire entre las celdas. En algunas modalidades, uno o más túneles de aire pueden ser proporcionados entre cada capa de una pila. En algunas modalidades, los túneles de flujo de aire pueden ser horizontalmente orientados. En algunas modalidades, los túneles de flujo de aire pueden ser sustancialmente orientados de manera horizontal y/o pueden tener una ligera inclinación (por ejemplo, 1 a 5 grados) . Un montaje de flujo de aire puede incluir un ventilador, una bomba diferencial de presión tal como una fuente de presión positiva o una 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 provocar que el aire fluya dentro de túneles de uno o más módulos. En algunas modalidades, el aire puede fluir entre túneles de diferentes módulos. Las celdas pueden ser configuradas de modo que los túneles de aire pueden ser continuamente formados entre celdas adyacentes y/o módulos adyacentes. En otras modalidades, puede ocurrir rompimiento en el túnel entre celdas y/o entre módulos.
En algunas modalidades, el sistema de batería puede también incluir uno o más bancos inversores 848. El banco inverso puede convertir la energía DC (corriente directa) a AC (corriente alterna) .
La Figura 8D muestra una vista superior de un sistema de batería que incluye una pluralidad de módulos de batería. Como se describió previamente, un alojamiento puede ser proporcionado para el sistema de batería. El alojamiento puede incluir un piso 860 y/o una cubierta o puerta 862 la cual puede incluir paredes o techo. Uno o más tanques 864 o miembros conductor de electrolito 866 tal como un tubo puede ser proporcionado. El miembro conductor de electrolito puede conectar fluidamente el tanque con uno o más módulos 870. En algunas modalidades, cada módulo puede ser conectado directamente fluidamente al tanque vía el miembro conductor de electrolito. En algunas otras modalidades, uno o más módulos pueden ser indirectamente conectados al tanque vía otros módulos. En algunas modalidades, un miembro conductor de electrolito puede ser conectado a uno o más módulos en la parte superior del módulo. El miembro conductor de electrolito puede ser configurado para proporcionar el electrolito a una charola superior de uno o más módulos.
Cualquier número de módulos 870 puede ser proporcionado dentro de un sistema de batería. Por ejemplo, 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 pueden ser proporcionados dentro de un sistema de batería. En algunas modalidades, un sistema de batería puede ser un recipiente de almacenamiento de energía de 1 MW, de 6 horas. En otras modalidades, el sistema de batería puede ser 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 hora o más.
En algunas modalidades, para un módulo estándar, pueden aplicar una o más de las siguientes características: el sistema puede tener características tales como 500k—2 MW, 2-12 MWH, y se anticipa que el sistema podría tener un bajo costo. Tales características son proporcionadas a manera de ejemplo únicamente. No se pretende limitar esta invención.
Los módulos pueden tener cualquier configuración dentro del sistema de batería. Por ejemplo, una o más hileras y/o columnas de módulos pueden ser proporcionadas. En algunas modalidades, puede ser proporcionado un arreglo de módulos.
Por ejemplo, dos hileras de 12 módulos cada uno, pueden ser proporcionadas .
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 fluidamente con cada módulo en la parte superior del módulo.
El tubo puede transferir el electrolito hacia la charola superior de cada módulo. En algunas modalidades, el tubo puede pasar como un tubo recto sobre una primera hilera de módulos, que puede flexionarse y girar alrededor y pasar como un tubo recto sobre una segunda hilera de módulos.
Alternativamente, el tubo puede tener cualquier otra configuración flexionada o en zigzag.
En algunas modalidades, el sistema de batería puede también incluir uno o más bancos inversores 868. El banco inversor puede convertir la corriente DC a AC.
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 puede estar térmicamente aislado y/o eléctricamente aislado.
En algunas modalidades, el recipiente puede ser un recipiente estándar, tales como aquellos previamente descritos, o un recipiente refrigerado. En algunas modalidades, el recipiente puede ser de aproximadamente 12.2 m (40 pies) de longitud.
Uno o más módulos pueden estar contenidos dentro del recipiente. En algunas modalidades, hasta 36 módulos pueden ser proporcionados dentro del recipiente. Los módulos pueden ser tendidos en el recipiente de modo que son proporcionadas dos hileras de módulos, teniendo cada hilera 12 módulos. De este modo, un sistema de batería puede tener un arreglo que es de 12 módulos de profundidad y 2 módulos de anchura. En algunas modalidades, pueden ser proporcionadas 1800 celdas de cuádrete por módulo. Un módulo puede ser de 120 celdas de altura (por ejemplo, teniendo 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. Un montaje de flujo de aire puede ser proporcionado dentro de un recipiente. El piso del recipiente A puede incluir barras t, muescas, canales, protuberancias, rebordes, u otras formas. Una tubería de flujo de aire inferior B puede ser proporcionada o el piso en T puede ser utilizado en algunos recipientes refrigerados. En algunas modalidades, el aire en la tubería inferior puede fluir lateralmente. En algunas modalidades, el aire puede fluir hacia un pasadizo central C del montaje de flujo de aire. En algunas modalidades, el aire puede elevarse en el pasadizo central. Uno o más túneles de aire D pueden ser proporcionados para uno o más módulos. El túnel de aire puede tener orientación horizontal. Los túneles de aire pueden ser proporcionados como parte de los céntrodos de las celdas. El aire puede fluir desde el pasadizo central hacia uno o más túneles de aire los cuales canalizan el aire lateralmente entre las celdas.
Desde un túnel de aire D, el aire puede fluir lateralmente hacia un pasadizo periférico E. Uno o más pasadizos periféricos pueden ser proporcionados. En algunas modalidades, dos pasadizos periféricos E, F pueden ser proporcionados. El aire puede elevarse a lo largo de los pasadizos periféricos. Un pasadizo periférico puede ser proporcionado entre un módulo K y una pared I del recipiente. En algunas modalidades del sistema de circulación de expulsión de aire o de ventilador, una tubería de aire superior H puede ser proporcionada con un alojamiento G de tubería de aire superior. La tubería de aire superior puede recibir el aire desde los pasadizos periféricos. En algunas modalidades, un bloqueador J puede ser proporcionado para prevenir que el aire se eleve desde el pasadizo central directamente hacia la tubería de aire superior. Esto puede forzar algo del aire a fluir hacia los túneles de aire. En modalidades alternativas, algo del aire puede elevarse desde el pasadizo central hacia la tubería superior. En algunas modalidades, el aire puede fluir longitudinalmente a lo largo de la tubería de aire superior. Por ejemplo, el aire puede fluir desde un lado del recipiente con el área de utilidad hacia el otro extremo del recipiente.
La Figura 8F proporciona una vista adicional de un montaje de flujo de aire. Un montaje de flujo de aire puede ser proporcionado dentro de un recipiente. El piso del recipiente A puede incluir barras t, muescas, canales, protuberancias, rebordes u otras formas. El aire puede fluir a lo largo de los espacios proporcionados sobre el piso entre los perfiles de piso. Un pasaje de flujo de aire inferior o túnel B puede ser proporcionado. En algunas modalidades, el aire en el pasaje inferior puede fluir lateralmente. En algunas modalidades, el aire puede fluir hacia un pasadizo central C del montaje de flujo de aire. En algunas modalidades, el aire puede elevarse en el pasadizo central. Uno o más túneles de aire D pueden ser proporcionados para uno o más módulos. El túnel de aire puede tener una orientación horizontal. Los túneles de aire pueden ser proporcionados como parte de los céntrodos de las celdas. El aire puede fluir desde el pasadizo central, hacia uno o más túneles de aire, los cuales canalizan el aire lateralmente entre las celdas.
A partir de un túnel de aire D, el aire puede fluir lateralmente hacia un pasadizo periférico E. Uno o más pasadizos periféricos pueden ser proporcionados. En algunas modalidades, dos pasadizos periféricos pueden ser proporcionados. El aire puede elevarse a lo largo de los pasadizos periféricos. Un pasadizo periférico puede ser proporcionado entre un módulo y una pared de recipiente I. En algunas modalidades, una tubería de aire superior J puede ser proporcionada con un alojamiento de tubería de aire, superior. La tubería de aire superior puede recibir el aire desde los pasadizos periféricos. En algunas modalidades, un bloqueador H puede ser proporcionado para prevenir que el aire se eleve desde el pasadizo central directamente hacia la tubería de aire superior. Esto puede forzar algo del aire a fluir hacia los túneles de aire. En modalidades alternativas, algo del aire puede elevarse desde el pasadizo central hacia la tubería superior. En algunas modalidades, el aire puede fluir longitudinalmente a lo largo de la tubería de aire superior. Por ejemplo, el aire puede fluir desde un lado del recipiente con el área de utilidad hacia el otro extremo del recipiente .
Un tanque de suministro de electrolito G, superior, puede ser proporcionado como parte de un módulo. Un tanque de recepción de electrolito F inferior, puede también ser proporcionado como parte del módulo. En algunas modalidades, el recipiente I puede descansar sobre una superficie K.
En algunas modalidades, el aire de suministro puede ser aire proporcionado a través del piso y la tubería inferior. El aire de suministro puede luego elevarse a través del pasadizo central y fluir a través de los túneles de aire. El aire de retorno puede elevarse a través de los pasadizos periféricos y fluir a través de la tubería superior. En modalidades alternativas de la invención, el aire puede fluir en otras direcciones (por ejemplo, puede ser suministrado desde la tubería superior y puede fluir a través de los 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 longitudinalmente a lo largo del recipiente y no necesita ser dividido lateralmente. El aire puede o no ser circulado nuevamente longitudinalmente a lo largo del recipiente .
En algunas modalidades, los módulos pueden ser colocados sobre el piso del recipiente. En algunas modalidades, el piso del recipiente puede tener una barra T de piso. En algunas modalidades, el piso puede tener una o más muescas, canales, ranuras, protuberancias, o rebordes, que pueden soportar los módulos al tiempo que proporcionan espacio debajo de los módulos. En algunas modalidades, el aire puede fluir dentro del espacio debajo de los módulos. Esto puede ayudar con la regulación de la temperatura.
En algunas modalidades, un área de utilidad puede ser proporcionada dentro del recipiente y adyacente a los módulos. Por ejemplo, los módulos pueden ser colocados dentro de un recipiente para proporcionar un área de utilidad de 1.82 m por 2.13 m (6 por 7 pies) . En algunas modalidades, un usuario puede ser capaz de acceder 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 puede ser proporcionada en el extremo posterior del recipiente.
En algunas modalidades, una cámara impelente puede ser proporcionada dentro de un recipiente. La cámara impelente puede sobresalir desde una pared del recipiente en el extremo frontal. La cámara impelente puede ser curvada y puede encontrarse con un módulo aproximadamente a mitad de camino. En algunas modalidades, un suministro de aire puede ser proporcionado en una porción de la cámara impelente, y una admisión de aire puede ser proporcionada en la otra porción de la cámara impelente. Por ejemplo, un suministro de aire puede ser proporcionado en el lado inferior de la cámara impelente, y una admisión de aire puede ser proporcionada en una porción superior de la cámara impelente, 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 proporcionados sobre el lado de suministro de la cámara impelente. Por ejemplo, si el suministro de aire es proporcionado sobre el lado inferior de la cámara impelente, 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 llega al área de utilidad en el otro extremo del recipiente, el aire puede viajar hacia la otra porción de los módulos. Por ejemplo, el aire puede elevarse hacia la mitad superior de los módulos y fluir en una segunda dirección nuevamente hacia la parte superior de la cámara impelente. En algunas modalidades, la segunda dirección puede ser horizontal y/o puede ser opuesta a la primera dirección. El aire puede llegar a la admisión de aire de retorno en la porción superior de la cámara impelente. La cámara impelente puede ser proporcionada en un extremo frontal del recipiente. Alternativamente, el aire no necesita circular hacia atrás y puede ser aceptado por una admisión en el lado del área de utilidad del recipiente. El lado del área de utilidad del recipiente puede o no proporcionar un segundo suministro de aire que puede fluir hacia atrás hacia el primer suministro de aire. Una unidad portadora puede también ser proporcionada en el extremo frontal del recipiente. La unidad portadora puede aceptar la admisión de aire y puede enfriarlo, puede variar y/o mantener la temperatura del aire, puede filtrar el aire, y/o puede variar o mantener la composición del aire.
XIII. Balance de las Configuraciones en Planta A. Sistemas de circulación y tratamiento de electrolitos Como se describió previamente, y se mostró en la Figura 4A, un sistema de circulación y tratamiento de electrolitos puede ser proporcionado, consistiendo de varios componentes. En algunas modalidades, puede ser proporcionado un balance separado de planta (sistema de manejo de aire y agua/electrolitos) . El sistema de circulación y tratamiento de electrolito puede incluir uno o más de los siguientes: a) Un dispositivo para desionizar y/o filtrar cualquier agua antes de que entre al sistema. b) Un tanque químico para introducir y mezclar diversas sales y otras sustancias químicas con el agua desionizada. Esto puede formar una porción de electrolito. c) Un tanque o serie de tanques que mide y trata el electrolito de la batería. d) Una bomba o serie de bombas que distribuye el electrolito a todo lo largo del sistema de batería. e) Diversos sensores que miden y monitorizan el volumen total del electrolito, la temperatura, los niveles de pH y otras medidas de la operación del sistema. f) Suministrar y regresar las líneas que distribuyen el electrolito líquido hacia y desde la batería. g) Diversos sensores y válvulas para controlar el flujo del electrolito líquido y para controlar las conexiones eléctricas desde una caja de control.
La Figura 8H proporciona un ejemplo de un sistema de batería dentro de un recipiente. Uno o más tanques (por ejemplo, tanque de tratamiento/retención, tanque de electrolito) pueden ser proporcionados y pueden ser conectados a uno o más módulos vía los conectadores de fluido y válvulas. Por ejemplo, el electrolito puede ser proporcionado a través de una tubería, y luego individualmente dividido en conectadores de fluido separados 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 fluida con la tubería y puede recibir fluido desde ésta. En algunas modalidades, una o más de la interfaz de usuario puede ser proporcionada .
En algunas modalidades, puede ser proporcionada una división hermética al aire entre los módulos y el resto del recipiente. Por ejemplo, un área de servicio o de utilidad puede ser proporcionada, de modo que un operador u otro usuario puede tener acceso. Por ejemplo, un pasadizo de servicio puede ser proporcionado donde un operador u otro usuario puede entrar. En algunas modalidades, el área de servicio o de utilidad puede incluir los tanques, la interfaz de usuario, o los controles electrónicos. En un ejemplo, la división hermética al aire puede separar el área de servicio o de utilidad de los módulos.
B . Sistemas de circulación y acondicionamiento de aire La Figura 8A muestra un ejemplo de un recipiente de cargamento aislado y la utilización de la máquina HVAC de acuerdo con una modalidad de la invención. Un sistema de almacenamiento de energía puede incluir un sistema de circulación y acondicionamiento de aire que consiste de varios componentes. La Figura 8E proporciona un ejemplo de un sistema de circulación de aire.
Una serie de cámaras impelentes de flujo de aire puede ser proporcionada para controlar y distribuir el flujo de aire uniformemente entre las celdas. El enfriamiento por aire forzado puede ser más efectivo que la conexión, especialmente cuando se acopla con disipadores térmicos internos y diseños de alojamiento estilo cámara impelente, buenos. El aire caliente puede ser retirado de los recintos del equipo por ventiladores o sopladores los cuales pueden también extraer el aire más frío hacia el recinto a través de las ventilaciones. Dependiendo de los requerimientos de enfriamiento, volúmenes bajos a altos de aire pueden ser movidos a través del recinto.
En algunas modalidades, pueden ser proporcionados uno o más sensores de temperatura. Con base en la temperatura detectada por el sensor de temperatura, los ventiladores o sopladores pueden ser variados y/o mantenidos para controlar la velocidad del flujo de aire. Un sistema de ventilador puede ser proporcionado, el cual fuerza el aire a través de la batería.
El sistema puede incluir un sistema de constitución y filtración de aire fresco para introducir oxígeno, mientras que filtra los contaminantes no deseados. En algunas modalidades, puede ser deseable tener más alto contenido de oxígeno que el aire ambiental.
Un sistema HVAC puede ser proporcionado, el cual mide y controla la temperatura del aire dentro del alojamiento de la batería.
El sistema puede también incluir un sistema de control de humedad que humidifica o deshumidifica el aire dentro el alojamiento de la batería. Uno o más sensores de humedad pueden ser proporcionados. El sistema de control de humedad puede variar y/o mantener la humedad del aire con base en las mediciones provenientes de los sensores de humedad.
En algunas modalidades, puede ser proporcionado una serie de sensores que se comunican con otros diversos sistemas .
C . Conectividad Eléctrica y Manejo Un sistema eléctrico puede ser proporcionado, el cual facilita el flujo de energía dentro de la batería, y distribuye la energía entre la batería y la red eléctrica u otra fuente de energía. En algunas modalidades, el sistema eléctrico puede determinar si se proporciona o no un flujo de energía entre la batería y la red eléctrica u otra fuente de energía o disipador. El sistema eléctrico puede determinar la dirección y/o la cantidad de flujo de energía entre la batería y la fuente de energía o el disipador.
D . Sistemas de medición y de control Un sistema de medición centralizado puede estar comprendido de diversos sensores que están conectados 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 recolectar las mediciones obtenidas de los diversos sensores. El sistema de control computarizado puede realizar uno o más cálculos con base en las mediciones. Cualquier algoritmo, cálculo u otros pasos pueden ser implementados utilizando medios legibles en computadora, tangibles, los cuales pueden incluir instrucciones lógicas, de código, para realizar tales pasos. Tales medios legibles en computadora pueden ser almacenados en la memoria. Uno o más procesadores pueden acceder a tal memoria e implementar los pasos en ésta.
Un sistema de control computarizado puede estar conectado a otros diversos sistemas mecánicos. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede instruir a uno o más sistemas mecánicos a realizar una acción. Por ejemplo, el sistema de control computarizado puede instruir a una bomba a bombear un mayor volumen de electrolito hacia una charola superior. El sistema de control computarizado puede instruir una o más válvulas, las cuales pueden afectar la distribución del electrolito entre la pluralidad de módulos. En otro ejemplo más, el sistema de control computarizado puede provocar que un ventilador sople a una velocidad más lenta. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede emitir una o más instrucciones con base en las mediciones recibidas desde uno o más sensores. Cualesquiera instrucciones pueden ser proporcionadas por un controlador vía una conexión alámbrica o de manera inalámbrica.
Un sistema de control computarizado puede estar conectado a un teléfono y/o a una red de comunicaciones celulares. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede incluir un dispositivo de procesamiento, tal como una computadora. Cualquier discusión de un dispositivo de procesamiento, o cualquier tipo específico de dispositivo de procesamiento puede incluir, pero no está limitado a, una computadora personal, computadora de servidor o computadora tipo laptop; asistentes digitales personales (PDAs, por sus siglas en Inglés) tal como un dispositivo basado en Palm o dispositivo Windows; teléfonos tales como teléfonos celulares o teléfonos portátiles enterados de la localización (tales como GPS) ; un dispositivo de vagabundeo (roming) , tales como un dispositivo de roming conectado a la red; un dispositivo inalámbrico tal como un dispositivo de correo electrónico inalámbrico u otro dispositivo capaz de comunicarse inalámbricamente con una red de computadoras; o cualquier otro tipo de dispositivo en red que pueda comunicarse sobre una red y manejar las transacciones electrónicas. En algunas modalidades, el sistema de control computarizado puede incluir múltiples dispositivos. En algunos casos, el sistema de control computarizado puede incluir una arquitectura de cliente-servidor. En algunas modalidades, los dispositivos de procesamiento pueden ser especialmente programados para realizar uno o más pasos o cálculos o realizar cualquier algoritmo. Un sistema de control computarizado puede comunicarse sobre cualquier red, incluyendo pero no limitadas a, redes de comunicación celular, otras redes telefónicas, una red de área local (LAN) , o una red de área ancha (tal como la Internet) . Cualesquiera comunicaciones pueden ser proporcionadas 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 alejado del sistema de control computarizado, y puede comunicarse con el sistema de control computarizado sobre una red. Alternativamente, el usuario puede estar conectado localmente a una interfaz de usuario del sistema de control computarizado.
E . Instalación ambiental y configuraciones de aloj amiento En general, las baterías modulares y sus sistemas no están limitados por tamaño, volumen o escala. Gabinetes industriales comunes, recipientes, edificios y otras estructuras pueden estar configuradas para alojar la batería y sus sistemas.
La batería y sus sistemas de soporte pueden estar configurados para configuraciones móviles y estacionarias. Por ejemplo, la batería y sus sistemas de soporte podrían ser proporcionados en edificios, contenedores de barcos, buques y automóviles, por ejemplo.
XIV. Configuración de Celda de Combustible De acuerdo con algunas modalidades de la invención, el sistema de almacenamiento de energía descrito en otro sitio en la presente, puede ser utilizado en una configuración de celda de combustible. En una configuración de celda de combustible, cada celda puede ser soportada por una válvula de entrada de suministro y de salida de desagüe, para la transferencia o la transfusión de electrolito. En algunas modalidades, éste puede utilizar el sistema de transferencia de electrolito de una batería de flujo basada en la gravedad. Por ejemplo, una entrada de suministro puede ser proporcionada por arriba de una celda y una salida de desagüe puede ser proporcionada por debajo de la celda. En otras modalidades, los grupos de celdas (tales como cuadretes o capas) pueden ser soportados por una entrada de suministro y salida de desagüe.
Una configuración de celda de combustible puede proporcionar mecanismos que retiran el electrolito agotado y agregan electrolito fresco vía una compuerta de transferencia o transfusión remota y conveniente.
XV. Adopción de Mercado y Escenarios de Adaptación Un sistema de almacenamiento de energía, el cual puede incluir las modalidades discutidas en otro sitio en la presente, puede ser ventajosamente utilizado con generadores de energía verde. Los ejemplos de generadores de energía verde pueden incluir granjas eólicas, granjas solares, o granjas de mareas. Un sistema de almacenamiento de energía puede también ser utilizado con generadores de energía tradicionales, tales como los generadores de vapor por combustible fósil o generadores nucleares. En algunas modalidades, un sistema de almacenamiento de energía puede almacenar energía a partir de un generador. En otras modalidades, éste puede ser capaz de suplementar o de desplazar la energía producida por un generador.
Un sistema de almacenamiento de energía puede ser utilizado en la distribución de energía. Por ejemplo, éste puede ser utilizado con utilidades eléctricas regionales, utilidades eléctricas locales, almacenamiento remoto y almacenamiento móvil.
Un sistema de almacenamiento de energía puede también tener aplicaciones en almacenamiento de energía, manejo de respaldo de energía. Por ejemplo, el almacenamiento de energía puede ser utilizado para aplicaciones gubernamentales y militares, aplicaciones comerciales e industriales, aplicaciones comunitarias e institucionales, aplicaciones residenciales y personales (celda de combustible o batería) . En algunas modalidades, la energía en exceso puede ser almacenada en el sistema de almacenamiento de energía y utilizada como sea necesario. El sistema de almacenamiento de energía puede ser denso en energía para ser localizado en subestaciones suburbanas o cimientos urbanos.
Las aplicaciones en transportación pueden ser proporcionadas para el sistema de almacenamiento de energía. Por ejemplo, el sistema de almacenamiento de energía puede ser utilizado para energizar locomotoras y trenes. El sistema de almacenamiento de energía puede también ser utilizado para embarque de carga (en tierra o por agua) . El sistema de almacenamiento de energía puede también ser utilizado para el tránsito y transportación en masa. Por ejemplo, el sistema de almacenamiento de energía puede ser proporcionado como una celda o batería de combustible sobre vehículos de tránsito en masa. De manera similar, el sistema de almacenamiento de energía puede tener aplicaciones automovilísticas, y puede ser proporcionado como una celda o batería de combustible para un vehículo automotriz. Preferentemente, el sistema de almacenamiento de energía en un vehículo puede ser recargable .
XVI. El Diseño de Celda Piramidal de Cuatro Lados, Aplanado Compensa el Cambio en los Volúmenes del Electrolito En las celdas de zinc-aire recargables, los volúmenes de electrolito típicamente no permanecen constantes .
Durante la descarga de la celda, conforme el zinc metálico (con densidad relativamente alta) es convertido a especies de zinc de menor densidad, los volúmenes de electrolito pueden incrementarse. Durante la carga de la celda, ocurre la reacción inversa y los volúmenes de electrolito pueden disminuir. Los volúmenes de electrolito pueden también disminuir debido a la evaporación del agua.
Estos cambios en los volúmenes de electrolito pueden afectar de manera adversa el funcionamiento de la celda. Si los volúmenes de electrolito se vuelven demasiado bajos, puede existir insuficiente electrolito conductor entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire. Esto puede provocar un incremento en la resistencia de la celda lo cual a su vez podría afectar de manera adversa el funcionamiento de la celda. De manera similar, si los volúmenes de electrolito se incrementan demasiado, el electrolito en exceso puede ser forzado dentro de los poros del electrodo en contacto con el aire. El electrolito que penetra y que inunda los poros del electrodo en contacto con el aire previene que el oxígeno gaseoso se difunda fácilmente (y que se reduzca electroquímicamente) dentro de los poros. Adicionalmente , el volumen incrementado de electrolito aplica presión sobre el electrodo en contacto con el aire y podría provocar deterioro mecánico del electrodo. Esto provoca que el funcionamiento de la celda se deteriore.
El control de estos volúmenes de electrolito constantemente cambiantes en una pila de baterías llena operacional puede ser logrado al tener un mecanismo de retroalimentación que puede compensar automáticamente los cambios en los volúmenes de electrolito. Cuando se necesita electrolito adicional por parte de las celdas (por ejemplo, durante la carga de la celda cuando los niveles de electrolito disminuyen) , el electrolito puede ser permitido gotearse lentamente desde un depósito hacia las celdas individuales. Durante la descarga de la celda, conforme los volúmenes de electrolito se expanden, el electrolito en exceso dentro de las celdas puede ser desviado vía una compuerta de sobreflujo a un depósito para el almacenamiento.
Las modalidades previamente descritas pueden incluir un diseño horizontal, de cuatro celdas que incorpora una compuerta de llenado y una compuerta de salida localizadas en la unión donde cuatro celdas horizontalmente colocadas se encuentran. Esta compuerta de llenado de salida/hueca puede permitir que el electrolito se gotee dentro y fuera de las celdas individuales, como sea necesario. Conforme un número de estos montajes de cuatro celdas son apilados uno sobre la parte superior del otro, la compuerta de llenado/salida del montaje superior de cuatro celdas puede ser colocado exactamente por arriba del montaje inferior de cuatro celdas. De esta manera, un número de montajes de cuatro celdas, verticalmente apilados pueden compartir una compuerta de llenado/salida común que está conectada a un depósito común.
Otro diseño horizontal de cuatro celdas puede ser proporcionado de acuerdo con otra modalidad más de la invención. El diseño horizontal puede involucrar el ensamblaje de un montaje de cuatro celdas de modo que cada celda en este montaje está ligeramente en pendiente (inclinado) hacia arriba (sobre un lado únicamente) hacia la compuerta de llenado/salida . Esto puede compensar físicamente el desprendimiento de gas al permitir que el gas escape más fácilmente .
La Figura 10 ilustra la vista superior (viendo hacia abajo) sobre cuatro celdas (Cell 1, Celda 2, Celda 3, Celda 4) en un montaje horizontal. Las celdas pueden ser colocadas de modo que éstas comparten una compuerta de llenado y salida común (indicada por 0) . La esquina de cada celda individual está ligeramente inclinada hacia arriba hacia el 0. De este modo, la esquina de cada celda individual más alejada de 0 puede estar inclinada hacia abajo.
Otra manera más para visualizar este diseño podría ser imaginar cuatro celdas individuales colocadas como una pirámide de cuatro lados (la parte superior de la pirámide podría ser el punto donde las cuatro celdas se reúnen) , pero en vez de una forma inclinada hacia arriba como en una pirámide típica, esta pirámide fue aplanada hasta que los ángulos inclinados estuvieron únicamente a 1-5 grados de la horizontal. Este 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, ó 10 grados o menos. Preferentemente, cada celda puede estar inclinada al mismo ángulo, mientras que en otras modalidades, las celdas individuales pueden estar inclinadas a diversos ángulos. Este diseño de pirámide de cuatro lados, aplanados, está destinado a ayudar al manejo de los electrolitos y al desprendimiento de gas durante los ciclos de descarga/carga.
Esto es mostrado en la lista lateral de la Figura 11B. Aquí, cada una de las celdas 1150a, 1150b, 1150c en un montaje de apilamiento puede estar ligeramente inclinada hacia arriba desde la horizontal hacia la compuerta de llenado. En algunas modalidades, puede ser proporcionada una inclinación de aproximadamente 1.5 grados. Un tanque de agua superior 1152 puede tener uno o más tubos de desagüe 1154. Los tubos de desagüe pueden permitir que una cantidad controlada de electrolito fluya desde el tanque de agua superior hacia las celdas por debajo. En algunas modalidades, pueden ser proporcionados tubos de desagüe de diámetro interno de 1.9 cm (3/4 pul) .
El diseño puede incluir uno o más espaciadores 1156 dentro de una tubería 1158. Esta tubería puede proporcionar un espacio vacío entre el tanque de agua superior y las celdas subyacentes. En algunas modalidades, un espaciador puede ayudar a sustentar el espacio entre el tanque de agua superior y las celdas individuales. En algunas modalidades, el espaciador puede proporcionar soporte entre las celdas y el tanque de agua superior.
Uno o más perfiles de control de flujo 1166 pueden controlar la velocidad de flujo del electrolito que es proporcionado desde un tanque de agua superior hacia las celdas subyacentes. En algunas modalidades, el perfil de control de flujo puede sobresalir o puede estar verticalmente alineado. El perfil de control de flujo puede romper el electrolito en pequeñas gotas. En algunas modalidades, el perfil de control de flujo puede evitar que se forme una conexión eléctrica entre el electrolito y el tanque de agua superior y electrolito en cualquier celda subyacente individual. Una gota proveniente del perfil de control de flujo puede ser atrapada por una celda subyacente. En algunas modalidades, las celdas subyacentes pueden tener una compuerta con una porción de sobreflujo. Los perfiles de control de flujo pueden ser verticalmente alineados sobre la porción del sobreflujo. Las compuertas de las celdas verticalmente alineadas pueden estar también alineadas. En algunas modalidades, la gota puede fluir hacia el combinado de electrolito 1160 de la celda. El electrolito proveniente de una celda superior puede fluir hacia una celda inferior. En algunas modalidades, cada celda puede tener un perfil 1164 de control de flujo de celda que puede también controlar el flujo del electrolito que es proporcionado a las celdas subyacentes. El perfil de control de flujo de celda puede romper el electrolito en gotas y prevenir que una conexión eléctrica sea formado entre el electrolito y la celda y el electrolito en la celda subyacente. En algunas modalidades, los perfiles de control de flujo pueden estar en alineación vertical sustancial con los perfiles de control de flujo de las celdas por arriba y/o por debajo. Alternativamente, éstos pueden tener una alineación escalonada o de otro tipo. Una o más vías de aire 1162 pueden ser proporcionadas entre celdas.
Como se discutió previamente, las celdas individuales pueden ser inclinadas, de modo que la porción de una celda que recibe electrolito puede estar inclinada 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 de celda ligeramente inclinada tiene un número de ventajas distintas cuando las celdas son ensambladas en un apilamiente Una primera ventaja es que es todavía mantenida una resistencia de celda constante y reproducible , entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire. Esto ayuda a mantener la resistencia del electrolito bajo control estrecho.
Una segunda ventaja involucra el manejo de la formación de burbujas de gas. Durante los ciclos de carga de la celda, conforme está siendo introducida agua, son necesariamente generadas burbujas de oxígeno gaseoso. Este diseño de electrodo inclinado puede permitir que estas burbujas de gas generadas migren fácilmente hacia la porción superior de electrodo—cerca de la esquina de electrodo donde éstas pueden entonces ser seguramente ventiladas. Teniendo burbujas de gas que migren fácilmente hacia un lado se elimina un problema potencial de resistencia incrementada de electrolito debido a las burbujas de gas atrapadas en el electrolito. Un diseño inclinado puede ser ligeramente angulado para permitir el escape de gas y facilitar el flujo de la suspensión en una configuración de batería de flujo.
Una tercera ventaja que es que durante los ciclos de carga (cuando el electrolito es agregado desde el depósito hacia cada celda individual) , un diseño de celda inclinada permite que el electrolito agregado entre fácilmente y llene 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 fueran a ser hechos demasiado escarpados, cualquier electrolito agregado podría fluir hacia el fondo de la celda e inundar la porción inferior de los electrodos en contacto con el aire.
Un ángulo de inclinación preferible puede caer dentro del intervalo únicamente de 1-5 grados de la horizontal. Esto puede ser suficientemente bajo de modo que el electrolito no es sustancialmente recolectará en el fondo de cada celda sino cualesquiera burbujas de gas generadas son desviadas si se elevan hacia la abertura superior del montaje y pueden salir fácilmente.
La Figura 11A muestra una vista superior de un sistema de almacenamiento de energía de acuerdo con una modalidad de esta invención. En algunas modalidades, el sistema de almacenamiento de energía puede funcionar como un flujo a través de celda. Alternativamente, no se necesita funcionar como un flujo a través de celda. Un tanque de agua superior puede tener un piso 1100. Un tubo de desagüe 1102 puede ser proporcionado, permitiendo que el electrolito fluya hacia una o más celdas debajo. En algunas modalidades, uno o más perfiles de control de flujo 1104 pueden ser proporcionados para controlar la velocidad de flujo del electrolito que pasa a las celdas subyacentes. En algunas modalidades, el perfil de control de flujo puede romper el electrolito en gotas pequeñas. En algunas modalidades, un perfil de control de flujo puede ser proporcionado para cada celda subyacente. Por ejemplo, si cuatro celdas horizontalmente orientadas (formando un cuádrete plano) están compartiendo un sistema de manejo de electrolito común, cuatro perfiles de control de flujo pueden ser proporcionados. Cada perfil de control de flujo puede sobresalir sobre su propia celda correspondiente. Cualquier número de perfiles de control de flujo pueden ser proporcionados, los cuales pueden o no corresponder al número de celdas subyacentes en la capa directamente debajo. Por ejemplo, pueden ser proporcionados uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez, o más perfiles de control de flujo.
Una celda de cuádrete puede también tener una porción central que puede estar inclinada hacia abajo hacia una celda. Cualquier electrolito que pueda caer sobre la porción central puede fluir hacia abajo y hacia una celda subyacente. En algunas modalidades, la parte central puede ser moldeada por inyección.
Uno o más perfiles, características, componentes, materiales, o pasos conocidos en la técnica, pueden ser incorporados dentro de la invención, y viceversa. Ver por ejemplo, la Patente de los Estados Unidos No. 4,168,349, la Patente de los Estados Unidos No. 4,463,067, la Patente de los Estados Unidos No 5,126,218, la Patente de los Estados Unidos No. 7,582,385, la Patente de los Estados Unidos No. 7,314,685, la Patente de los Estados Unidos No. 5,716,726, la Patente de los Estados Unidos No. 4,842,963, la Patente de los Estados Unidos No. 4,038,458, la Patente de los Estados Unidos No. 5,242,763, la Patente de los Estados Unidos No. 5,306,579, la Patente de los Estados Unidos No . 6 , 235 , 418 , la Patente de los Estados Unidos Publicación No. 2006/0141340, la Patente de los Estados Unidos Publicación No. 2008/0096061, Publicación del PCT No. WO 2007/144357, las cuales son incorporadas por referencia en la presente en su totalidad.
XVI. Ejemplo En un ejemplo, una celda de prueba puede haber sido proporcionada. La Figura 13 muestra un ejemplo del voltaje de la celda sobre el tiempo, de acuerdo con una modalidad de la invención. Un tiempo de prueba de 350000 segundos fue proporcionado para demostrar que este sistema opera como se describe .
Un intervalo de voltaje estable resultó con la primera celda de prueba. No existió degradación física en la primera versión de la celda. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 13, el voltaje permaneció relativamente estable por 350000 segundos. Para la mayor parte, el voltaje fue cíclico entre 0.9 y 2.1 voltios.
Se debe entender que a partir de lo anterior, que mientras que las implementaciones particulares, han sido ilustradas y descritas, pueden ser realizadas a estas diversas modificaciones y son contempladas en la presente. No se pretende tampoco que la invención esté limitada por los ejemplos específicos proporcionados dentro de la especificación. Mientras que la invención ha sido descrita con referencia a la especificación anteriormente mencionada, las descripciones e ilustraciones de las modalidades preferibles en la presente no se entiende que sean consideradas en un sentido limitante. Además, se deberá entender que todos los aspectos de la invención no están limitados a las descripciones específicas, configuraciones o proporciones relativas descritas, las cuales dependen de una variedad de condiciones y variables. Diversas modificaciones en la forma y el detalle de las modalidades de la invención serán aparentes para aquellas personas expertas en la técnica. Por lo tanto, se contempla que la invención cubrirá también cualquiera de tales 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 de la presente descripción de la invención.
REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones: 1. Una celda de ánodo metálico eléctricamente recargable, caracterizada porque comprende: un electrodo metálico; un electrodo en contacto con el aire; y un electrolito acuoso situado entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire, en donde el electrodo metálico hace contacto directamente con el electrolito líquido, y sin un material iónicamente conductor y eléctricamente aislante entre el electrodo en contacto con el aire y el electrolito líquido. 2. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende además una estructura que soporta el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire, de modo que el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire están situados a una distancia fija uno con el otro. 3. La celda de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la distancia fija entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire define un espacio en el cual puede estar contenido el electrolito

Claims (1)

  1. líquido . 4. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo metálico comprende zinc. 5. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo metálico comprende magnesio . 6. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende : una matriz que comprende carbono o un polímero; una membrana hidrofóbica permeable al aire; y un recolector de corriente, eléctricamente conductor, resistente a la corrosión. 7. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el recolector de corriente comprende un material conductor que comprende un metal expandido, una malla conductora, tela, espuma, una lámina, un alambre, un tiesto, una varilla, lana o cualquier combinación de los mismos . 8. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el recolector de corriente comprende uno o más polímeros eléctricamente conductores. 9. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque durante la carga eléctrica, es favorecida el desprendimiento de gas oxígeno. 10. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque durante la carga eléctrica, un compuesto metálico cambia su estado de oxidación y forma un material catalítico que favorece el desprendimiento de gas oxígeno . 11. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metálico están conectados en una configuración bipolar . 12. La celda de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la estructura es al menos parcialmente formada de un material polímero o plástico. 13. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire está en una orientación horizontal y colocado por arriba del electrodo metálico. 14. La celda de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la estructura incluye un anaquel que sobresale dentro de la batería o la celda y que hace contacto con el electrodo metálico. 15. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende además un electrodo auxiliar configurado para la carga de la celda y la generación de oxígeno asociada, que está situado entre el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metálico, o sobre ambos lados del electrodo metálico. 16. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un material de carbono. 17. La celda de conformidad con la reivindicación 16, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: negro de carbono, negro de acetileno, negro térmico o de horno, negro de canal, carbón activado, grafito, grafito pirolítico, carbón vitreo reticulado, carbón fluorado, o carbón cristalino. 18. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende partículas basadas en carbono de diversas formas y tamaños que incluyen uno o más de los siguientes: nanotubos de carbono, nanotubos funcionalizados , nanofibras de carbono, nanofibras funcionalizadas , alambres, hojuelas, películas, grafeno, o fulerenos. 19. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un compuesto basado en carbono, en donde la resistividad del electrodo en contacto con el aire es menor de 60 ohmios-cm. 20. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un compuesto basado en carbono, en donde la porosidad del electrodo en contacto con el aire es mayor de 30%. 21. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un polímero eléctricamente conductor basado en carbono. 22. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 16 al 21, caracterizada porque comprende además un aglutinante que imparte al electrodo en contacto con el aire una resistencia a la tracción mayor de aproximadamente 0.14 kg/cm2 (2 psi) . 23. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un material no carbonáceo. 24. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un óxido de metal o de no metal . 25. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más óxidos metálicos que son no estequiométricos y tienen la fórmula Mm_x0m-y, en donde M representa un metal, O representa oxígeno, el subíndice x tiene un valor de 0 < x < 1, el subíndice y tiene un valor de 0 < y < 1, y el subíndice m puede tener un valor de 1 < m < 5. 26. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más óxidos de metal o de no metal que pertenecen al grupo seleccionado de: Pt02, Ni02, Nb2Os, M003, Zn02, Sn02, Fe203, W203, A1203, Bi203, Yb203, Ge203 , B203 o Ce02. 27. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende silicio purificado o impurificado. 28. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Si02, aluminosilicato, ultra-marino, o A1203. 29. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto de azufre. 30. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el compuesto de azufre comprende un sulfuro. 31. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende SnS o TiS2. 32. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un carburo de uno o más de los siguientes: un metal, un no metal, o un metal de transición. 33. La celda de conformidad con la reivindicación 32, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: TiC, VC, WC, o BC. 34. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un boruro de uno o más de los siguientes: un metal, un no metal, o metal de transición. 35. La celda de conformidad con la reivindicación 34, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende TiB2. 36. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: un metal, un no metal, o metal de transición. 37. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes elementos: iridio, zirconio, titanio, platino, rutenio, rodio, cobalto, manganeso, vanadio, cerio, bismuto, plata, cobre, hierro u oro. 38. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas que comprenden uno o más de los siguientes elementos: iridio, zirconio, titanio, platino, rutenio, rodio, cobalto, manganeso, vanadio, cerio, bismuto, plata, cobre, hierro u oro. 39. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende TiH2. 40. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los óxidos de metal o de metal de transición. 41. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos que incluyen titanio y oxígeno . 42. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Ti02, Ti407, Ti508, o Ti509. 43. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende partículas de tamaño nanométrico que comprenden una o más de las siguientes: Ti02, Ti407, Ti508, o Ti509. 44. La celda de conformidad con la reivindicación 41, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los compuestos de titanio, en donde el titanio tiene un número de oxidación promedio de 4.0 o menos. 45. La celda de conformidad con la reivindicación 41, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de titanio, en donde el titanio tiene un número de oxidación promedio entre 3.5 y 4.0. 46. La celda de conformidad con la reivindicación 41, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de titanio, en donde el titanio tiene un número de oxidación promedio entre 3.2 y 3.5. 47. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos que comprenden vanadio y oxígeno . 48. La celda de conformidad con la reivindicación 47, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes compuestos de vanadio: óxido de vanadio (II), óxido de vanadio (III), óxido de vanadio (IV) , u óxido de vanadio (V) . 49. La celda de conformidad con la reivindicación 47, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos contiendo vanadio y oxígeno, en donde el estado de oxidación de vanadio tiene un valor no entero en el intervalo de entre 5.0 y 3.0. 50. La celda de conformidad con la reivindicación 49, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende V60i3 o V508. 51. La celda de conformidad con la reivindicación 47, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de manganeso, en donde el manganeso tiene un estado de oxidación de 4.0 o menos. 52. La celda de conformidad con la reivindicación 1 ó 42, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de manganeso, en donde el manganeso está en un estado de oxidación promedio entre 3.5 y 4.0. 53. La celda de conformidad con la reivindicación 1 ó 42, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de manganeso en donde el manganeso está en un estado de oxidación promedio entre 3.0 y 3.5. 54. La celda de conformidad con la reivindicación 1 ó 42, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de manganeso en donde el manganeso está en un estado de oxidación promedio entre 2.5 y 3.0. 55. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Mn02, Mn304, Mn508, o MnOK donde el subíndice x está en el intervalo de 1.10 < x < 2.01. 56. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende partículas de tamaño nanométrico que comprenden uno o más compuestos de manganeso, en donde el manganeso está en un estado de oxidación. 57. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos incluyendo un metal o metal de transición, y oxígeno. 58. La celda de conformidad con la reivindicación 57, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Ir02, u02, V205, Ce02, o Rh02. 59. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende óxidos de metal de tamaño en nanopartículas , que incluyen uno o más de los siguientes: Ir02, Ru02, V205, Ce02, o Rh02. 60. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende aleaciones metálicas, o combinaciones de metales y aleaciones metálicas. 61. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende metales mixtos intermetálicos. 62. La celda de conformidad con la reivindicación 61, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: Ag-Ni; Ag-Au; PdPt; Pt0.5Auo.5; PtxYi-x, en donde Y se selecciona del grupo que consiste de cobalto, níquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio, tungsteno, aluminio, plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x está entre 0.1 y 0.9; o PtxMzYi-x.z en donde se selecciona del grupo que consiste de iridio, renio, cobalto y níquel y combinaciones de los mismos, Y se selecciona del grupo que consiste de cobalto, níquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio, tungsteno, aluminio, plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x + z está entre 0.1 y 0.9. 63. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos de anillo cíclico basado en metal, que contiene grupos nitrógeno. 64. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende una porfirina que incluye uno o más metales, o productos de descomposición inducida por calor o radiación de una porfirina que comprende uno o más metales. 65. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto de anillo cíclico o un complejo. 66. La celda de conformidad con la reivindicación 65, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un tetraazaazuleno. 67. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende cobalto o un compuesto del mismo. 68. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende níquel o un compuesto del mismo. 69. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende metales de transición de tamaño nanométrico. 70. La celda de conformidad con la reivindicación 68, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende una pluralidad de partículas de cobalto que tienen un diámetro medio menor de 1 micrómetro. 71. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más óxidos, carburos, o boruros de un metal de transición, y porque comprende además un aditivo eléctricamente conductor. 72. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 51-56, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un óxido de manganeso y un aditivo eléctricamente conductor. 73. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 51-56 o la reivindicación 69, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un óxido de manganeso y carbono eléctricamente conductor. 74. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 51-56, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un óxido de manganeso y una pluralidad de partículas conductoras que comprenden un metal. 75. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6 o la reivindicación 51-56, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un óxido de manganeso que tiene la fórmula general AaMnxMyOzSsHh; en donde A es elegido de hidrógeno, litio, sodio, potasio, rubidio, estroncio o plata; el subíndice a es 0.00 < a < 1.2; Mn representa manganeso; M es elegido de vanadio, cerio, bismuto, titanio, hierro, cobalto, níquel, zirconio, lantano, terbio; O representa oxígeno; S representa azufre; el subíndice s es 0.00 < s < 0.1; H es elegido de flúor o cloro; el subíndice h es 0.00 < h < 0.15; y los subíndices x, y, y z tienen los valores tal que el compuesto total es eléctricamente neutro. 76. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 51-56, caracterizada porque el compuesto de manganeso comprende una fase cristalográfica seleccionada de: alfa, beta, o gamma Mn02. 77. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 51-56, caracterizada porque el compuesto de manganeso comprende una fase amorfa. 78. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6, 24, ó 68, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende óxidos de cobalto . 79. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6, 24, ó 68, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende cobalto y oxígeno, en donde el cobalto tiene un número de oxidación de +2 a +8. 80. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6, 24, 68, ó 79, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de los siguientes: CoO, Co03, Co04, o Co304. 81. La celda de conformidad con la reivindicaciones 6, 24, 68, u 80, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende una pluralidad de partículas que comprenden CoO, Co03, Co04, o Co304 y que tienen un diámetro de partícula medio menor de 1 micrómetro. 82. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6, 47, ó 51, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende PbMnOx en donde Pb representa plomo, Mn representa manganeso, y el subíndice x es un número tal que el compuesto es eléctricamente neutro. 83. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más compuestos que tienen una combinación estable de un metal de transición, oxígeno, y un lantánido. 84. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende una pluralidad de partículas de uno o más compuestos que tienen una combinación estable del metal de transición, oxígeno, y un lantánido, en donde las partículas tiene un diámetro medio menor de 1 micrómetro. 85. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6, u 84, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende LaMn03. 86. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6, 84, u 85 caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende las nanopartículas de LaMn03. 87. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6, 84, u 85, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto que tiene la fórmula general LaMxMny0, en donde La representa un lantánido, M representa un metal, Mn representa manganeso, O representa oxígeno, y los subíndices x, y, y z son números tales que el compuesto es eléctricamente estable. 88. La celda de conformidad con la reivindicación 87, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende uno o más de: LaNio.5Mno.5O3, LaCuo.5Mno.5O3, La0.8Sr0.2 n03 , La2/3Cai/3Mn03 , o Lai/2Sri/2Mn03. 89. La celda de conformidad con la reivindicación 88, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas de: LaNio.5Mno.5O3, LaCuo.5Mno.5O3, La0.8Sr0.2Mno3 , La2/3Cai/3Mn03 , o La!/2Sri/2Mn03. 90. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un metal de transición, un metal alcalino o alcalinotérreo, y un grupo fosfato, que tiene la fórmula general AxMyPOz en donde A es un metal alcalino o alcalinotérreo, M es un metal de transición, y los subíndices x e y son números tales que el compuesto es estable y el subíndice z tiene un valor de aproximadamente 4. 91. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 90, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende LiMnP04, LiCoP04, o LiFeP04. 92. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 91, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas de LiMnP04, LÍC0PO4 , o LiFeP0 . 93. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto que tiene una combinación de un lantánido, un metal, un óxido de metal de transición, y un halógeno, que tiene la fórmula general MnxMyA20aHb en donde Mn es manganeso, M es un metal de transición, A es un metal alcalino o alcalinotérreo, O es oxígeno, H es un halógeno, y los subíndices x, y, a, y b son valores tales que el compuesto es eléctricamente estable. 94. La celda de conformidad con la reivindicación 93, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartículas de un compuesto que tiene una combinación de un lantánido, un metal, un óxido de metal de transición, y un halógeno que tiene la fórmula general MnxMyAzOaHb en donde Mn es manganeso, M es un metal de transición, A es un metal alcalino o alcalinotérreo, 0 es oxígeno, H es un halógeno, y los subíndices x, y, a, y b son valores tales que el compuesto es eléctricamente estable. 95. La celda de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto que sufre reducción u oxidación electroquímica, y con esto proporciona una meseta de voltaje adicional o capacidad agregada durante la descarga eléctrica. 96. La celda de conformidad con la reivindicación 95, caracterizada porque el compuesto es uno que al sufrir reducción u oxidación electroquímica, disminuye efectivamente los potenciales de carga de celda requeridos o eleva los potenciales durante la descarga de la celda. 97. La celda de conformidad con la reivindicación 96, caracterizada porque un compuesto proximal al electrodo en contacto con el aire ha sufrido reducción durante la descarga de la celda, y es reoxidado por un agente oxidante o superficie oxidante, o presente en la batería o celda, o introducido en la batería o celda desde una fuente externa. 98. La celda de conformidad con la reivindicación 97, caracterizada porque el agente oxidante es un oxígeno o peróxido de hidrógeno. 99. La celda de conformidad con la reivindicación 98, caracterizada porque el agente oxidante es N20 o nitrato de amonio. 100. La celda de conformidad con la reivindicación 98, caracterizada porque el agente oxidante es un compuesto de metal de transición disuelto en el electrolito. 101. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la batería o la celda está configurada para sufrir una o más reacciones de electrodo que involucran una o más de urea, nitrato, cloruro, o amonio. 102. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la batería o celda está configurada para sufrir una o más reacciones de electrodo que involucran al menos uno de: cloro, oxígeno, hipoclorito, o cloruro. 103. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el recolector de corriente del electrodo en contacto con el aire es elaborado de un polímero eléctricamente conductor. 104. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire el recolector de corriente de electrodo es elaborado de un metal . 105. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente es elaborado de titanio metálico o sus aleaciones. 106. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente es elaborado de titanio metálico o aleaciones de titanio recubiertas con un recubrimiento resistente a la corrosión. 107. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente es elaborado de titanio metálico o aleaciones de titanio recubiertas con uno o más de los siguientes: TiN, TiC, Ti, TiB2 oxicarburo, Ti2S3, NiB, CrN, gráfico pirolítico, polímeros conductores, o carbono vitreo. 108. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente es elaborado de titanio recubierto con Ti02 y/o sus sub-óxidos. 109. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 7 ó 108, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente es elaborado de titanio o sus aleaciones recubiertas con Ti02 y que ha sido hecho más eléctricamente conductor por medio de aditivos o impurificantes. 110. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente es recubierto con un catalizador de reducción de oxígeno o de oxidación de agua. 111. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente es primeramente recubierto con un recubrimiento protector adecuado y luego recubierto con un catalizador de reducción de oxígeno u oxidación de agua, adecuado . 112. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente comprende titanio recubierto con un catalizador de reducción de oxígeno o de oxidación de agua. 113. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente comprende titanio recubierto con un recubrimiento protector y luego recubierto con un catalizador de reducción de oxígeno o de oxidación de agua. 114. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente está en la forma de una malla eléctricamente conductora, lámina metálica perforada, tela tejida, alambre, malla, o espuma porosa. 115. La celda de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrodo en contacto con el aire recolector de corriente está en la forma de una malla eléctricamente conductora, y es un compuesto que comprende un metal, y un carbono cristalino o grafito. 116. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrolito comprende un electrolito basado en cloruro acuoso. 117. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende una mezcla de sales de cloruro solubles cuyos cationes son adecuados para formar las sales de cloruro solubles en solución. 118. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso que tiene un pH en el intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10. 119. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso que tiene una conductividad mayor de 30 (miliohmio cm)-l. 120. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 101, caracterizada porque el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso que tiene proporciones de [Cr] a [Zn++] de 2 o más. 121. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 101, caracterizada porque el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso que tiene proporciones de [Cr] a [Zn++] de 3 o más. 122. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 101, caracterizada porque el electrolito es un electrolito basado en cloruro acuoso que tiene proporciones de [Cr] a [Zn++] de 5 o más. 123. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende una mezcla de sales solubles basadas en al menos uno de los siguientes aniones: sulfatos, nitratos, carbonatos, hexafluorosilicatos , tetrafluoroboratos , metansulfonatos, permanganato, hexafluorofosfatos , boratos, fluoruros, o fosfatos. 124. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el nivel de pH del electrolito es tal que el C02 normalmente presente en el aire no es absorbido por el electrolito, y se forma poco o ningún carbonato . 125. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo, o combinaciones de aditivos, que mejoran la deposición del zinc durante el chapado (carga de la celda) sobre el electrodo metálico. 126. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo que incluye al menos uno de los siguientes: polietilenglicoles o tiourea. 127. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo que previene la formación de espuma de electrolito y permite que cualquier gas generado sea liberado. 128. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo que incluye uno o más de los siguientes: Simeticona, Dowex, Aloe Vera, emulfogen, dodecasulfato de sodio, aceite de ricino sulfonado, trementinas, u otros tensioactivos . 129. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo que previene el desprendimiento de hidrógeno durante la carga. 130. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo que incluye una o más de las siguientes sales de cloruro con alto sobrepotencial de hidrógeno: cloruro de estaño, nitrato de estaño, cloruro de plomo, nitrato de plomo, cloruro de mercurio, cloruro de cadmio, nitrato de cadmio, nitrato de bismuto, nitrato de indio, cloruro de indio o cloruro de bismuto. 131. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo que previene o minimiza el desprendimiento de gas cloro y/o hipoclorito durante la recarga de la celda. 132. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo que incluye urea. 133. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo que promueve el chapado o precipitación de zinc, deseable. 134. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1, 116, o la reivindicación 133, caracterizada porque el electrolito comprende además un aditivo que promueve los depósitos de zinc que tienen un área superficial electroquímica de al menos dos veces el área superficial geométrica del electrodo. 135. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende además un anión aditivo que incluye al menos uno de los siguientes aniones: benzoatos, yodatos, estearatos, nitratos, citratos o carbonatos . 136. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 101, caracterizada porque el electrolito comprende un anión y al menos otro anión con un pKa de 2 a 11. 137. La celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 116, caracterizada porque el electrolito comprende una sal de manganeso soluble . 138. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo metálico comprende además un recolector de corriente formado de un metal recubierto con un recubrimiento protector conductor. 139. La celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo metálico comprende además recolector de corriente formado de titanio metálico recubiertas con un recubrimiento protector de uno o más de los siguientes: TiC, TiN, CrN, TiB2, NiB, un carbono pirolítico, o un polímero conductor. 140. Un montaje de batería, caracterizado porque comprende : una primera celda que tiene un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y un electrolito entre éstos; y una segunda celda que tiene un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y un electrolito entre éstos , en donde el electrodo metálico de la primera celda hace contacto con el electrodo en contacto con el aire de la segunda celda de modo que es formado un túnel de aire entre el electrodo metálico de la primera celda y el electrodo en contacto con el aire de la segunda celda, y en donde el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire están orientados de manera sustancialmente horizontal. 141. El montaje de batería de conformidad con la reivindicación 140, caracterizado porque los electrodos metálicos y los electrodos en contacto con el aire están alojados en una orientación sustancialmente horizontal. 142. El montaje de batería de conformidad con la reivindicación 140, caracterizado porque el electrodo metálico de la primera celda hace contacto con el electrodo en contacto con el aire de una segunda celda por un rizo mecánico alrededor de los bordes del electrodo en contacto con el aire de la primera celda, con lo cual se forma un céntrodo. 143. El montaje de batería de conformidad con la reivindicación 142, caracterizado porque el céntrodo proporciona una conexión en serie entre la primera celda y la segunda celda. 144. El montaje de batería de conformidad con la reivindicación 140, caracterizado porque la primera celda, la segunda celda, y una o más celdas están orientadas sustancialmente horizontales, y acomodadas de una manera paralela en serie para alcanzar un voltaje deseado y distribuir una densidad de corriente deseada. 145. El montaje de batería de conformidad con la reivindicación 141, caracterizado porque fluye gas en una dirección horizontal dentro del túnel de aire. 146. El montaje de batería o celda de conformidad con la reivindicación 141, caracterizado porque comprende además : una tercera celda que tiene un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y un electrolito entre éstos; y una cuarta celda que tiene un electrodo metálico, un electrodo en contacto con el aire, y un electrolito entre éstos , en donde el electrodo metálico de la tercera celda es mecánicamente rizado alrededor del borde del electrodo en contacto con el aire de la cuarta celda de modo que es formado un túnel de aire entre el electrodo metálico de la tercera celda y el electrodo en contacto con el aire de la cuarta celda, con lo cual se forma un segundo céntrodo, y en donde el segundo céntrodo está un contacto eléctrico con el primer céntrodo, con lo cual se proporciona la conexión eléctrica entre la primera celda y la segunda celda . 147. Un sistema de almacenamiento de energía, caracterizado porque comprende: un montaje de suministro de electrolito que tiene un perfil de control de flujo configurado para distribuir uniformemente el electrolito líquido a las celdas de metal-aire subyacentes; y una o más celdas de ánodo metálico que comprenden al menos una compuerta de llenado o desagüe común que tiene una porción de rebosamiento de líquido, en donde el perfil de control de flujo está verticalmente alineado sobre la porción de rebosamiento. 148. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 147, caracterizado porque el perfil de control de flujo rompe el electrolito líquido en gotas discontinuas y separadas. 149. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 147, caracterizado porque una o más celdas de ánodo metálico están horizontalmente orientadas y apiladas una sobre la parte superior de la otra. 150. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 147, caracterizado porque las compuertas de llenado o desagüe de cada una de las celdas de ánodo metálico individuales en un apilamiento de batería está orientadas y apiladas una sobre la parte superior de la otra, con lo cual se forma un canal de flujo vertical continuo para que los líquidos lo atraviesen. 151. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 147, caracterizado porque comprende además una charola de recolección de electrolito líquido colocada por debajo de una o más celdas de ánodo metálico . 152. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 147, caracterizado porque el montaje de suministro de electrolito que proporciona el electrolito líquido a las celdas individuales es impulsado por gravedad. 153. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 147, caracterizado porque la estructura física del montaje de suministro de electrolito es moldeado por inyección. 15 . El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 147, caracterizado porque la pluralidad de celdas individuales de ánodo metálico son apiladas conjuntamente bajo compresión. 155. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 147, caracterizado porque la pluralidad de celdas de ánodo metálico horizontalmente orientadas están inclinadas ligeramente hacia arriba cerca del montaje de suministro de electrolito. 156. El sistema de almacenamiento de energía de conformidad con la reivindicación 155, caracterizado porque las celdas de ánodo metálico están integradas hacia arriba a un ángulo de 1 a 5 grados de la horizontal. 157. Un método para almacenar energía, caracterizado porque comprende: la recepción de un electrolito líquido en un tanque de suministro de electrolito; permitir, si el electrolito líquido reboza del tanque de suministro de electrolito, el electrolito líquido gotea hacia abajo a las celdas de ánodos metálicos subyacentes; y permitir, si ocurre el rebosamiento adicional de electrolito líquido en las celdas de ánodo metálico subyacentes, que algo del electrolito gotee hacia abajo a un segundo nivel de las celdas de ánodo metálico subyacentes o un tanque de recolección situado por debajo de las celdas de ánodo metálico subyacentes. 158. El método de conformidad con la reivindicación 157, caracterizado porque comprende además: el retiro del electrolito líquido desde el tanque de recolección; tratar el electrolito líquido proveniente del tanque de recolección; agregar ingredientes adicionales al electrolito líquido si es necesario; y proporcionar electrolito líquido fresco o tratado al tanque de suministro de electrolito, si es necesario. 159. El método de conformidad con la reivindicación 158, caracterizado porque una primera celda de ánodo metálico y una segunda celda de ánodo metálico están eléctricamente conectadas una a la otra a un arreglo en serie. 160. El método de conformidad con la reivindicación 158, caracterizado porque una primera celda de ánodo metálico y una segunda celda de ánodo metálico tienen un espacio vacío entre las mismas. 161. Un método para almacenar energía, caracterizado porque comprende: proporcionar uno o más céntrodos que tienen un electrodo metálico de una primera celda en contacto con un electrodo en contacto con el aire de una segunda celda, en donde es proporcionado un túnel de aire o vía de paso entre el electrodo metálico y el electrodo en contacto con el aire; y proporcionar una primer estructura que se extiende sobre uno o más céntrodos y una segunda estructura que se extiende por debajo de uno o más céntrodos, en donde la primera celda comprende el espacio por arriba del electrodo metálico y encerrado por la primera estructura para aceptar el electrolito, y la segunda celda comprende el espacio por debajo del electrodo en contacto con el aire y cerrado por el segundo espacio para aceptar electrolitos. 162. Una configuración de apilamiento de batería, caracterizada porque comprende: un arreglo de una pluralidad de celdas apiladas vertical y horizontalmente adyacentes una a la otra, en donde una celda individual comprende un electrodo metálico y un electrodo en contacto con el aire, y en donde el arreglo de la pluralidad de celdas permite las conexiones eléctricas entre las celdas vertical y horizontalmente, con lo cual se permite la desviación de una celda fallida. 163. Un sistema para almacenar energía a escala de utilidad, caracterizado porque comprende: una pluralidad de celdas de ánodo metálico, horizontalmente acomodadas y verticalmente apiladas, que comprenden al menos una estructura, en donde uno o más túneles de aire son proporcionados entre las celdas; un sistema de manejo de flujo de electrolito integral a una o más estructuras configuradas para distribuir automáticamente el electrolito líquido a la celdas; y un montaje de flujo de aire configurado para proporcionar el flujo de aire a través de uno o más túneles de aire o vías de paso.
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