MXPA01002831A - Membranas conductoras de hidroxido a base de polimero. - Google Patents

Membranas conductoras de hidroxido a base de polimero.

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Abstract

Esta descrita una composicion de electrolito a base de polimero que tiene excelentes propiedades de formacion de pelicula, flexibilidad, resistencia mecanica y alta conductividad de hidroxido. La composicion comprende un polimero organico que tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo; una sal de amonio cuaternario heterociclica que contiene nitrogeno; y una sal de hidroxido de metal. En una incorporacion preferida la composicion es fraguada en la forma de una pelicula que es adecuada para usarse como conductora de ion u otra membrana de especialidad en una fuente de energia, tal como por ejemplo una bateria alcalina, o una pila de combustible que confia sobre el transporte de anion de hidroxido para su operacion.

Description

MEMBRANAS CONDUCTORAS DE HIDROXIDO A BASE DE POLÍMERO Campo de la Invención Esta invención se refiere generalmente a composiciones de electrolito sólido, y más particularmente a una composición de electrolito a base de polímero que tiene buenas propiedades de formación de película, flexibilidad, resistencia mecánica y una alta conductividad de hidróxido.
Antecedentes de la Invención Una pila de combustible genera electricidad directamente de una fuente de combustible y de un oxidante. La fuente de combustible puede ser por ejemplo, alcohol, gas de hidrógeno, gas natural, o una hoja de metal, y el oxidante puede ser por ejemplo oxígeno o aire. Debido a que este proceso no "quema" el combustible a fin de producir calor, los límites termodinámicos sobre la eficiencia son muy superiores que para los procesos de generación de energía normales. En esencia, una pila de combustible consiste de dos electrodos separados por una membrana o conductor de ion. La membrana conductora de ion puede permitir la difusión de los iones desde un electrodo al otro y al mismo tiempo evitar el flujo de electrones a través de la membrana y mantener los componentes de combustible y oxidante separados. Si los electrones son capaces de cruzar la membrana, la pila de combustible será completa o parcialmente acortada, y cualesquier fuerza útil que se haya producido será eliminada o reducida. La difusión o filtrado del combustible o del oxidante a través de la membrana también puede resultar en consecuencias indeseables.
Las pilas de combustible anteriores incorporaron un electrolito líquido tal como por ejemplo, un ácido, una solución de sal o alcalina, como el material conductor de ion. Con los avances en la tecnología, sin embargo, el interés ha cambiado el desarrollo de membranas conductoras de ion de electrolito sólido, tal como la membrana de intercambio de protón sólido, DuPont Nafion®. Las membranas de electrolito sólido proporcionan varias ventajas sobre las composiciones de electrolito líquido. Por ejemplo, una pila de combustible que tiene una membrana de electrolito sólido no contiene ningunos corrosivos o solventes que pudieran reaccionar con los sellos u otras partes del recipiente de pila de combustible. Además, con las membranas de electrolito sólidas, las pilas de combustible pueden ser construidas de manera que éstas sean delgadas y de peso ligero y en donde una pluralidad de pilas pueden ser apiladas. Se han desarrollado composiciones de electrolito que tienen buenas propiedades de formación de película y que por tanto pueden formar membranas que tienen buena flexibilidad y resistencia mecánica y que exhiben una alta conductividad.
Los electrolitos sólidos pueden ser ampliamente divididos en dos grupos-orgánico e inorgánico. Los electrolitos sólidos orgánicos, aún cuando típicamente exhiben una conductividad iónica mas baja, proporcionan buenas propiedades mecánicas y flexibilidad y son capaces de formar películas delgadas. Los electrolitos sólidos inorgánicos por otro lado, aún cuando generalmente tienen una conductividad iónica, relativamente alta, exhiben una pobre resistencia mecánica debido a su naturaleza cristalina.
Sobre las pasadas dos décadas, se han investigado una amplia variedad de composiciones de electrolito sólido para usarse en dispositivos electroquímicos tales como pilas de combustible y baterías. En 197, por ejemplo, El Dr. P.V. WRIGHT reportó una clase de electrolitos sólidos para usarse en una batería de ion de litio. El material de electrolito comprende un polímero tal como el poli (óxido de etileno), (-CH2CH20-) n, "PEO", y la sal de litio.
Gray y otros, en la obra "Electrolitos de Polímero Novedosos basados sobre Copolímeros de Bloque ABA" Macromoléculas, 21:392-397(1988) describen un copolímero de bloque de estireno-butadieno-estireno en donde la entidad conductora de ion es un complejo de monometil éter PEO de cadena corta colgante con sal de LiCF3S03 la cual está conectada a través de un enlace de succinato a una entidad de conexión flexible la cual es bloque de butadieno del copolímero tribloque.
La Patente de los Estados Unidos de América No. 4,828,941 otorgada a Stenzel describe una membrana a base de polímero de electrolito sólido intercambiadora de ion para usarse en una pila de combustible de aire/metanol .
La Patente de los Estados Unidos de América No. 5,643,490 otorgada a Takahashi y otros describe una composición de electrolitos sólida de polímero que está compuesta de un polímero que tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo y de una sal de fundido frío. El componente de sal es el producto de reacción de una sal de amonio cuaternario heterocíclica que contiene nitrógeno y una sal de metal, preferiblemente un haluro de aluminio.
Otros materiales de electrolito sólido de base de polímero incluyen los compuestos de PEO y sales de metal alcalino, tal como por ejemplo, sal de Na; polímeros superiores orgánicos acrílicos o metacrílicos que tienen una estructura PEO en su cadena lateral; polifosfacénico, polímeros orgánicos que tienen estructuras de óxido de polietileno como sus cadenas laterales y (-P=N-) como su cadena principal; y los polímeros orgánico y siloxánico que tienen una estructura PEO en su cadena lateral (-SiO-) como su cadena principal. Tales materiales a base de polímero sin embargo, aún cuando tienen una alta conductividad iónica, típicamente funcionan solo a temperaturas extremadamente altas (100°C o superiores) y son por tanto inapropiadas para usarse en baterías y pilas de combustible ordinarias que son generalmente usadas a la temperatura ambiente. Además, la flexibilidad y las propiedades de formación de película de estos materiales son típicamente menos que deseables.
Con el reciente desarrollo de la tecnología de pila de combustible H2/02 la atención se ha enfocado sobre el desarrollo de las membranas de intercambio/transporte de protón. En los principios de los años de 1970, por ejemplo, por razones de estabilidad química, DuPont introdujo una membrana de polímero completamente fluorinada, Nafion®, la cual ha servido desde entonces como la base desde la cual se han construido tradicionalmente las pilas de combustible de membrana de intercambio de protón subsecuentes. Nafion® pertenece a una amplia clase de catalizadores superácidos sólidos que exhiben una resistencia al ácido mayor de 100 porciento de H2S04. La composición incluye ambas regiones hidrofóbicas (-CF2-CF--) e hidrofílica (-S03H) en su columna de polímero y las características acídicas fuertes de la composición son el resultado del efecto de retiro de electrón de la cadena de perfluorocarbón sobre el grupo de ácido sulfónico. El Nafion® sin embargo, es muy costoso de producir, elevando el costo de las filas de combustible a un nivel que hace a éstas comercialmente inatractivas. Como resultado de esto, la atención se ha por tanto enfocado al desarrollo de un material conductor de protón menos costoso.
La patente de los Estados Unidos de América No. 5,468,574 otorgada a Ehrenberg y otros describe una membrana conductora de protón que comprende una pluralidad de moléculas de polímero estables en el ácido que tiene cada una por lo menos un componente conductor de ion unido covalentemente a por lo menos un componente de conexión flexible. La membrana está caracterizada como una membrana polimérica altamente sulfonatada compuesta de copolímeros de bloque de poliestireno sulfonatado, etileno y bloques de butileno.
En 1997, el laboratorio de propulsión de NASA describió el desarrollo de una membrana conductora de protón mejorada para usarse en ambas las filas combustible de metanol directo y de H2/02. El material de membrana está compuesto de un poli (etercetona) altamente sulfonatado, comúnmente conocido como H-SPEEK en comparación con los materiales de membrana de pila de combustible previos, H-SPEEK se reclama como siendo mas estable en el rango óptimo de las temperaturas de operación (100 a 200 °C) para ser menos permeable por el metanol, y para ser mucho menos costoso de producir. Véase, "Materiales de Membrana de Electrolito Polimérico para pilas de combustible", breviarios tecnológicos de NASA, página 64, Septiembre de 1997.
Al continuar la atención enfocada sobre el desarrollo de membranas de pilas de combustible conductoras de protón menos costosas, los presentes inventores han descubierto la importancia de otro tipo de membrana conductora de ion una que transporta el ion de hidróxido. El transporte del ion de hidróxido es considerado como que es la base para la operación de fuentes de energía como las baterías alcalinas y las pilas de combustible. Por tanto, los presentes inventores han reconocido que a fin de aplicar las muchas ventajas de las membranas de electrolito sólido a las fuentes de energía alcalina, es necesario proporcionar una composición conductora de hidróxido que tenga buenas propiedades de formación de película, incluyendo la flexibilidad y la resistencia mecánica. Una película formada del material debe permitir la difusión del anión de hidróxido y al mismo tiempo evitar el flujo de electrones y la difusión de gases moleculares. Las composiciones de electrolito previamente conocidas tal como los materiales de intercambio de protón o de intercambio de ion de metal alcalino no satisfacen estos criterios y por tanto, no pueden funcionar como una membrana de electrolito sólido conductora de hidróxido.
Antes de la presente invención, las soluciones alcalinas acuosas tal como de hidróxido de potasio y de hidróxido de sodio, fueron utilizadas como el electrolito líquido en las baterías alcalinas y en las pilas de combustible. La función de la solución de electrolito es de proporcionar el anión de hidróxido que es responsable por el llevar a cabo el transporte de ion desde un electrodo a el otro en la operación de la pila electroquímica. Reconociendo el valor de las membranas de electrolito sólido, los presentes inventores han descubierto una composición de electrolito de base de polímero que puede ser fraguada en la forma de una película y substituida por la solución de electrolito líquido en una batería alcalina o pila de combustible .
A fin de funcionar como una membrana de electrolito sólido en una batería alcalina o pila de combustible, un material debe contener iones portadores de hidróxido de alta densidad; ésta debe tener grupos funcionales capaces de interactuar adecuadamente con los iones portadores de ion de hidróxido; ésta debe mantener su estado morfo aún a bajas temperaturas (por ejemplo la temperatura ambiente) ; y ésta debe estar libre de conducción electrónica. La composición de electrolito a base de polímero de la presente invención satisface cada uno de estos requerimientos.
Síntesis de la Invención La presente invención proporciona una composición de electrolito a base de polímero que comprende una columna de polímero orgánico que tiene una unidad de catión de amonio cuaternario de alquilo; una sal de amonio heterocíclica que contiene nitrógeno; y un anión de hidróxido que está libre de cambio de un sitio a otro. Más particularmente, la composición comprende (a) un polímero orgánico que tiene una estructura de sal de amonio de alquilo; (b) una sal de amonio cuaternario heterocíclica que contienen nitrógeno; y (c) una sal de hidróxido de metal, preferiblemente hidróxido de aluminio.
En una incorporación, la composición de electrolito a base de polímero de la presente invención puede ser fraguada en la forma de una película. Debido a la alta conductividad de hidróxido de la composición, la película es adecuada para usarse como una membrana de electrolito sólido, tal como en una pila de combustible. Mas particularmente, la película es adecuada para usarse como una membrana conductora de hidróxido en una batería alcalina o pila de combustible.
El polímero orgánico tiene un componente de estructura de sal de alquilo cuaternario de la composición es preferiblemente escogido de componentes de la fórmula A y de la fórmula C mencionadas abajo.
En donde R se escoge de un enlace directo, -C(O)0- y •C(0)NH- m es un entero de desde 1 a 3 ; n es un entero de desde 1 a 4; y X" es un contraanión, preferiblemente escogido de Cl" Br" e I" R2 se escoge de un enlace directo y de CH2; R3 y R4 son cada uno un grupo de alquilo inferior; n es un entero; y X" es un contraanión, preferiblemente escogido de ci- Br" e r La sal de amonio cuaternario heterocíclica que contiene nitrógeno es preferiblemente escogida de sales de alquimidazoleo y de sales de alquilpiridineo. Mas preferiblemente, las sales de alquilpiridineo son sales de metilo y de butilpiridineo, tal como el yoduro de butilpiridineo.
En otra incorporación de la invención, la composición además incluye un aglutinante, el cual funciona para aumentar la resistencia mecánica de una película preparada de la composición.
Los principios de la presente invención también proporcionan un método para producir una película de electrolito sólido de polímero. El método comprende los pasos de (a) disolver un polímero orgánico que tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo, una sal de amonio cuaternario de alquilo, una sal de amonio heterocíclica que contiene nitrógeno y una sal de hidróxido de metal en un solvente orgánico para obtener una solución, y (b) fraguar la solución resultante para producir una película sólida. El solvente orgánico es preferiblemente escogido de agua, nitrometano o un alcohol inferior.
En una incorporación del método, el paso (a) es además caracterizado porque la solución además incluye un aglutinante, y en otra incorporación, el paso (b) es además caracterizado porque la solución del paso (c) está en el fraguado en una malla de poliéster. Las películas resultantes obtenidas de acuerdo con estas incorporaciones de la invención tienen una resistencia a la tensión incrementada.
Otras numerosas otras ventajas y características de la presente invención se harán fácilmente evidentes de la siguiente descripción detallada de la incorporación preferida, de los dibujos acompañantes y de las reivindicaciones anexas.
Breve Descripción de los Dibujos La figura 1 es una representación gráfica de la curva de densidad de corriente/voltaje lograda con varias soluciones de electrolito acuoso.
La figura 2 es una representación gráfica de la conductividad de hidróxido de varias soluciones acuosas de Amberlite (OH) "*"<*.
La figura 3 es una representación gráfica de la curva de densidad de corriente/voltaje obtenida para la pila obtenida en el ejemplo 3.
Descripción Detallada de las Incorporaciones Preferidas Aún cuando esta invención es susceptible de modificarse en muchas formas diferentes, las incorporaciones preferidas de la invención están mostradas. Deberá entenderse, sin embargo, que la presente descripción debe considerarse como una ejemplificación de los principios de esta invención y que no se intente limitar la invención a las incorporaciones ilustradas.
En una incorporación, la presente invención proporciona una composición de electrolito a base de polímero compuesta de (a) un polímero orgánico que tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo; (b) una sal de amonio heterocíclica que contiene nitrógeno; (c) una fuente de anión de hidróxido. En una incorporación preferida, la composición está en la forma de una película adecuada para usarse como una membrana de electrolito sólido conductora de ion. La membrana puede ser usada en las fuentes de energía, tal como por ejemplo, en las pilas de combustible. Mas particularmente, la película es adecuada para usarse como una membrana de electrolito sólido conductora de hidróxido en una batería alcalina o pila de combustible.
Como un primer componente constitutivo, la composición de la presente invención incluye un polímero orgánico que tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo. Aún cuando la estructura específica de la columna de polímero orgánico no está definida por la presente invención, las estructuras de polímero preferidas son aquellas que tienen los grupos de amonio cuaternario de alquilo en los extremos de las cadenas de polímero, ejemplificadas por la fórmula A, citada abajo.
En donde R se escoge de un enlace directo de -C(0)0- y -C(0)NH-; m es un entero de desde 1 a 3 ; n es un entero de desde 1 a 4; X" es un contraanión, preferiblemente escogido de Cl- Br_ e I" Los polímeros orgánicos de la fórmula A pueden ser obtenidos, por ejemplo, como homopolímeros de monómeros de vinilo incluyendo la estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo, o como copolímeros de estos monómeros de vinilo y otros comonómeros de vinilo. La fórmula B ejemplifica los copolímeros que pueden ser obtenidos de tal monómero de vinilo y de los comonómeros de vinilo.
En donde : U es una unidad constitutiva de polímero del comonómero de vinilo copolimerizado; R es escogido de un enlace directo de, -C(0)0-y -C(0)NH-; m es un entero de desde 1 a 3 ; n es un entero de desde 1 a ; y X" es un contraanión, preferiblemente escogido de Cl- BR- e r Preferiblemente, los comonómeros de vinilo que proporcionan la unidad U constitutiva de polímero serán aquellos que tienen los hidrocarburos insaturados vinílicos. Los ejemplos de tales comonómeros de vinilo incluyen, pero no se limitan a los monómeros acrílicos tales como, por ejemplo, CH2=CHC00H y CH2=CHCOOR, en donde R es un grupo de alquilo; monómeros metacrílicos, tal como, por ejemplo CH2=CCH3COOH en donde n es un entero de 1 a 23; CH2=CH (C6H5) ; CH2=CHCN; CH2=CHCONH2; cloruro de vinilo, vinil pirrolidona y similares. Los copolímeros pueden ser obtenidos de la copolimerización de uno o mas de estos comonómeros de vinilo por cualesquier proceso conocido, tal como por ejemplo, un proceso de polimerización radical, fotopolimerización, o similares.
Además de los polímeros orgánicos de la fórmula A, el componente de polímero orgánico de la presente invención también puede comprender unidades de monómero en donde una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo está unida a la cadena principal del polímero para formar una estructura cíclica, ahí ejemplificada por la fórmula C dada abajo: En donde R2 es escogida de un enlace directo y de CH2 R3 y R4 son cada uno un grupo de alquilo inferior; n es un entero; y X" es un contraanión, preferiblemente escogido de Cl-, Br" e I".
Los polímeros orgánicos de la fórmula C pueden ser obtenidos, por ejemplo, mediante polimerización de monómeros de haluro de dialil dialquil amonio, así como de otras fuentes comerciales. El cloruro de poli (dialil-dimetil-amonio) , por ejemplo, puede ser derivado de unidades de monómero de cloruro dialil-dimetil-amonio. En una incorporación preferida de la invención, los polímeros orgánicos de la fórmula C tendrán un peso molecular medio de desde 20,000 a 500,000.
Como un segundo componente constitutivo, la composición de electrolito a base de polímero de la presente invención incluye una sal de amonio cuaternario heterocíclica que contiene nitrógeno. Preferiblemente, este componente es una sal de alquimidazoleo o una sal de alquilpiridinea y más preferiblemente una sal de metilo o butilopiridineo. En una incorporación preferida, el contraanión de la sal es escogido de haluros tal como Cl", Br" e I".
Como un tercer componente constitutivo, la composición de electrolito a base de polímero de la presente invención incluye una fuente de anión de hidróxido. Preferiblemente, la fuente de anión de hidróxido es una sal de hidróxido, mas preferiblemente es una sal de hidróxido de metal, y mas preferiblemente es hidróxido de aluminio.
Sin estar limitado a una teoría en particular se considera que, en la composición de electrolito a base de polímero de la presente invención, el componente de hidróxido forma un complejo con el contraanión de cualesquiera la sal de amonio cuaternario de alquilo del polímero orgánico o el compuesto de amonio cuaternario heterocíclico que contiene nitrógeno. Se considera además que los complejos de ambas una estructura cuasi-tetrahédrica y una estructura cuasi-tetrahédrica dimérica con un contra ion común ahí son formadas, dependiendo de la proporción de los tres componentes constitutivos. Por ejemplo, cuando el componente de hidróxido es hidróxido de aluminio, ambos [AIX(OH)3]' y Al2X(OH)ß]" pueden ser formados.
La proporción preferida del polímero orgánico, de la sal de amonio cuaternario heterocíclica que contiene nitrógeno, y de la sal de hidróxido de metal varía, dependiendo del tipo de polímero orgánico y de sal de amonio utilizados. Generalmente, se prefiere que para un molde polímero orgánico, la cantidad de sal de amonio heterocíclica que contiene nitrógeno varíe de desde 0.2 a 0.6 moles, y la cantidad de componente de hidróxido varíe de desde 0.3 a 0.5 moles.
La composición de electrolito a base de polímero de la presente invención puede ser producida por cualesquier método ordinario, tal como por ejemplo, mediante el disolver uniformemente los tres componentes constitutivos en un solvente apropiado. La composición será típicamente utilizada como una película, la cual puede ser formada por cualesquier método ordinario, tal como por ejemplo, mediante el fraguado. Aquí, los tres componentes son disueltos en un solvente, tal como por ejemplo, agua, nitrometano o un alcohol inferior, por lo que la solución resultante es entonces esparcida sobre una estructura plana por lo que el solvente es evaporado afuera y se obtiene una película.
Como unos medios para aumentar la resistencia mecánica de una película preparada de acuerdo con los principios de la presente invención, la composición puede además incluir un aglutinante, tal como por ejemplo, un acrílico, un polietileno similares. El aglutinante puede ser disuelto uniformemente junto con otros componentes durante la preparación de la composición inicial. La membrana modificada exhibe el mismo orden de conductividad como el de la membrana de tres componentes, junto con una resistencia a la tensión incrementada.
En aún otra incorporación de la presente invención, la resistencia mecánica de la membrana resultante puede aumentarse mediante el fraguar la composición en por ejemplo una malla de poliéster.
Una membrana de electrolito a base de polímero formada de una composición preparada de acuerdo con los principios de la presente invención puede caracterizarse por una pluralidad de moléculas de polímero, cada una teniendo por lo menos un componente conductor de hidróxido unido covalentemente a por lo menos un componente de conexión ahulado y flexible. Los componentes conductores de hidróxido son ordenados de manera que una pluralidad de canales conductores de hidróxido continuos penetran en la membrana desde una primera cara a una segunda cara y de manera que los canales son situados en una matriz elástica formada por el componente de conexión flexible. En una incorporación preferida, los canales de conducción de hidróxido tienen una dimensión en sección transversal, en el plano de la membrana de alrededor de 0.1 mm.
De acuerdo con los principios de la presente invención, una membrana de electrolito sólido que tiene la estructura arriba mencionada puede funcionar como una membrana de electrolito sólido en una pila de aire de zinc tal como se describió en la patente de los Estados Unidos de América No. 5,250,370 otorgada a Faris y otros. La membrana proporciona un anión de hidróxido el cual funciona para transportar electrones desde el cátodo al ánodo para crear un flujo de corriente en l pila.
Las incorporaciones preferidas de la presente invención están aquí descritas en mayor detalle por medio de los siguientes ejemplos que son proporcionados por vía de ilustración y no por vía de limitación.
Ejemplos Ejemplo 1. En la investigación inicial de materiales capaces de funcionar como materiales conductores de hidróxido en una batería alcalina o pila de combustible, los presentes inventores concibieron el reemplazo de la solución de hidróxido de sodio de potasio con una solución de hidróxido de tetra alquil amonio. El hidróxido de tetra alquil amonio fue escogido por dos razones -- ésta proporcionó el anión de hidróxido necesario para la operación de la pila electroquímica, y puede inmovilizarse como una cadena lateral sobre una cadena principal de polímero. Los estudios preliminares subsecuentes establecieron que ambas la solución de hidróxido de tetrametil amonio acuosa y la solución de tetra etil amonio hidróxido acuosa pueden funcionar como el electrolito en una pila electroquímica de aire y zinc.
La figura 1 es una representación gráfica de las curvas de densidad de corriente/voltaje logradas para las pilas de aire y zinc utilizando una solución de 40 por ciento de hidróxido de potasio o una solución de 20 por ciento de hidróxido de tetrametil amonio como electrolito. Aún cuando la pila que comprende la solución de hidróxido de tetrametil amonio exhibió un voltaje mas bajo a una densidad de corriente dada (un resultado no sorprendente ya que ésta no proporciona una concentración tan alta de anión de hidróxido como lo hace el hidróxido de potasio) el estudio indicó fuertemente que la especie de anión de hidróxido derivada de la solución de hidróxido de tetrametil amonia puede funcionar como un ion de transporte de carga entre electrodos en la operación de una pila de combustible o batería alcalina. La prueba similar estableció que la solución de hidróxido de tetraetil amonia acuosa puede también funcionar como el ion de transporte.
Ejemplo 2. En otro modelo de estudio preliminar, la conductividad del anión de hidróxido de Amberlite (OH)"*0* de (Rohm and Haas Co . , de Filadelfia Pensilvania) suspendido en agua deionizada fue medida al ser aumentado el por ciento por peso de la Amberlite (OH^A La Amberlite (OH)MARCA es un polímero orgánico que tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo y una sal de hidróxido como su cadena lateral.
La figura 2 es una representación gráfica de los resultados del estudio que revelan que al ser aumentado el porcentaje de Amberlite (0H) HARCA en agua deionizada, la conductividad iónica (atribuida a la especie OH") aumentó rápidamente. A una concentración de 50% de Amberlite (0H)MARCA , la conductividad de anión de hidróxido de la solución fue en el orden de 10"3 S/cm. Este estudio modelo indicó fuertemente que un polímero orgánico teniendo una estructura de sal de amonio cuaternaria de alquilo en su cadena lateral proporciona una conductividad OH" distinta. Además, debido a que el polímero de Amberlite (OH)"**0* fue suspendido en agua, la conductividad iónica también reflejó el transporte OH" de la fase sólida a la fase acuosa, otro requerimiento colocado sobre una membrana de electrolito sólido.
Ejemplo 3. De acuerdo con los principios de la presente invención, se formó una composición de electrolito de base de polímero mediante el mezclar (a) un polímero orgánico que tiene una estructura de sal de amonio de alquilo cuaternario, cloruro de poli (dialil-dimetil-amonio) de (Aldrich Chemical Co., Inc., de Milwaukee, Wisconsin); (b) una sal de amonio heterocíclica que contiene nitrógeno, yoduro de butilpiridíneo; y (c) una fuente de anión de hidróxido, hidróxido de aluminio, junto en un solvente apropiado. Después del mezclado, el solvente fue removido para obtener una mezcla desteñida de tipo sólido la cual fue entonces fraguada en una membrana desteñida y delgada que tuvo un grosor de 0.2 mm.
La conductividad iónica de la película de electrolito de sólido de base de polímero obtenida en el ejemplo 3 fue medida de la siguiente manera. Una pila de aire de zinc incorporando una hoja de 5 cm x 5 cm de la membrana de electrolito sólido de polímero fue construida en donde la membrana estuvo colocada en forma de emparedado entre una hoja de zinc (ánodo) y un cátodo de difusión de aire. La pila electroquímica fue mantenida a temperatura ambiente y a una humedad controlada para asegurar el contacto estrecho entre los electrodos y la membrana. La parte semicircular de la pila fue obtenida de acuerdo a un método de impedancia compleja de voltaje constante, por lo que la conductividad de la pila fue entonces calculada analíticamente sobre la base de la parte semicircular. La conductividad de la membrana fue determinada como siendo del orden de 10~3 S/cm.
La figura 3 es una representación gráfica de la curva de densidad de corriente/voltaje para la pila obtenida en el ejemplo 3. Como puede verse de la gráfica en la densidad de corriente de lOmA/CM2 , el voltaje obtenido es de 0.8 V.
Esta invención ha sido descrita en términos de las incorporaciones específicas establecidas en detalle. Deberá entenderse, sin embargo, que éstas incorporaciones están presentadas por vía de ilustración solamente y que la invención no se limita solamente a éstas. Las modificaciones y variaciones dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones que siguen serán fácilmente evidentes de esta descripción, como lo podrán apreciar aquellos expertos en el arte.

Claims (20)

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Una composición de electrolito a base de polímero compuesta de: Un polímero orgánico que tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo; Una sal de amonio cuaternario heterocíclica que contiene nitrógeno; Una sal de hidrógeno de metal .
2. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizada porque el polímero orgánico tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo que es de la fórmula A En donde R se escoge de un enlace directo -C(0)0- -C(0)NH- m es un entero de desde 1 a 3; n es un entero de desde 1 a ; y X" es un contraanión; I es un entero mayor de 4.
3. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 2, caracterizada porque X' es escogido de Cl", Br" e I".
4. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizada porque el polímero orgánico tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo que es de la fórmula C En donde R2 se escoge de un enlace directo y CH2; R3 y R4 son cada uno un grupo de alquilo inferior; n es un entero; y X" es un contraanión.
5. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 4, caracterizada porque X" es escogida de C1J Br" e I'.
6. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizada porque la sal de amonio cuaternaria heterocíclica que contiene nitrógeno es escogida de sales de alquilimidazolio y sales de alquilpiridinio.
7. La composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 6, caracterizada porque la sal de alquilpiridinio es escogida de sales de metilo y butilpiridinio .
8. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 7, caracterizada porque la sal de butilpiridinio es yoduro de butilpiridinio.
9. Una composición de electrolito a base de polímero tal, y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizada porque la sal de hidróxido de metal es hidróxido de aluminio.
10. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizada porque comprende un cloruro de poli (dialil-dimetil- amonio) , yoduro de butilpiridinio y de hidróxido de aluminio.
11. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizada porque comprende además un aglutinante.
12. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizada porque para cada molde de componente de polímero orgánico, la composición incluye de 0.2 a 0.6 moles de componente de sal de amonio heterocíclica que contiene nitrógeno y 0.3 a 0.5 moles de componente de hidrógeno.
13. Un método para producir ur.a película de electrolito sólido de polímero que comprende los pasos de: a) disolver un polímero orgánico que tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo, una sal de amonio heterocíclico que contiene nitrógeno y una sal de hidróxido de metal en un solvente orgánico para obtener una solución; y b) fraguar la solución resultante para producir una película de electrolito sólido de polímero.
14. Un método, tal y como se reivindica en la cláusula 13, caracterizado porque el solvente orgánico es escogido de agua, nitrometano y de alcohol inferior.
15. Un método, tal y como se reivindica en la cláusula 13, caracterizado porque la solución del paso (a) además incluye un aglutinante disuelto ahí.
16. Un método, tal y como se reivindica en la cláusula 13, caracterizado porque el paso (b) es además caracterizado porque la solución resultante es fraguada en una malla de poliéster.
17. Un método, tal y como se reivindica en la cláusula 13, caracterizado porque el paso (a) comprende el disolver el cloruro de poli (dialilo-dimetilo-amonio) , yoduro de butilpiridinio y de hidróxido de aluminio en un solvente orgánico.
18. Un método para producir una película de electrolito sólido de polímero que comprende los pasos de: (a) disolver el cloruro de poli (dialilo-dimetilo- amonio) el yoduro de butilpiridinio y el hidróxido de aluminio en un solvente orgánico para obtener una solución; y (b) fraguar la solución resultante para producir una película de electrolito sólido de polímero.
19. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizado porque el polímero orgánico tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo que es de la fórmula B En donde U es una unidad constitutiva de polímero de desde un comonómero de vinilo; R es escogido de un enlace directo, -C(0)0- y -C(0)NH-; m es un entero de desde 1 a 3; n es un entero de desde 1 a 4; X" es un contraión; e i es un entero mayor de 4; y j es un entero mayor de 4.
20. Una composición de electrolito a base de polímero, tal y como se reivindica en la cláusula 19, caracterizada porque X' es escogido de C1J Br' e I'. R E S UM E N Está descrita una composición de electrolito a base de polímero que tiene excelentes propiedades de formación de película, flexibilidad, resistencia mecánica y alta conductividad de hidróxido. La composición comprende un polímero orgánico que tiene una estructura de sal de amonio cuaternario de alquilo; una sal de amonio cuaternario heterocíclica que contiene nitrógeno; y una sal de hidróxido de metal . En una incorporación preferida la composición es fraguada en la forma de una película que es adecuada para usarse como conductora de ion u otra membrana de especialidad en una fuente de energía, tal como por ejemplo una batería alcalina, o una pila de combustible que confía sobre el transporte de anión de hidróxido para su operación.
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