MXPA99007088A - Baterias de hidruro de niquel-metal de alta potencia y electrodos de alta potencia para usar en las mismas - Google Patents

Abstract

Los electrodos de hidruro de níquel-metal y las baterías con conductividad y potencia de salida aumentadas. Los electrodos de hidruro de níquel-metal se pueden formar presionando materiales activos de hidruro de metal en polvo en substrato de metal poroso. Los substratos de metal poroso comprenden cobre, níquel con chapa de cobre o una aleación de cobre-níquel donde el cobre, níquel con chapa de cobre o una aleación de cobre-níquel se expone a electrolitos.

Description

BATERÍAS DE HIDRURO DE ÍQUEL-METAL DE ALTA POTENCIA Y ELECTRODOS DE ALTA POTENCIA PARA USAR EN LAS MISMAS DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención esta relacionada generalmente con baterias de hidruro de niquel-metal y más especificamente con baterias de hidruro de niquel-metal de alta potencia útiles para vehiculos eléctricos y vehiculos eléctricos hibridos. Las baterias incluyen electrodos los cuales emplean substratos con capacidades mejoradas recolectoras de corriente, con lo cual se aumenta la potencia especifica de las baterias. El desarrollo de la bateria automotriz avanzada para la proporción del vehiculo ha sido dirigida, en el pasado, principalmente hacia el requerimiento de un vehiculo verdaderamente eléctrico. Hasta este punto, Stanford Ovshinsky y sus equipos de desarrollo de bateria en Energy Conversión Devices, Inc. y Ovonic Battery Company han hecho grandes avances en la tecnología de la bateria de hidruro de niquel-metal. Inicialmente, Ovshinsky y sus equipos se enfocaron en aleaciones de hidruro de metal que forman los electrodos negativos. Como resultado de sus esfuerzos, fueron capaces de ampliamente aumentar las características reversibles de almacenamiento de hidrógeno requeridas para aplicaciones eficientes y económicas de bateria, y producir baterias capaces de almacenamiento de energia de alta densidad, reversibilidad eficiente, alta eficiencia eléctrica, almacenamiento de hidrógeno en volumen eficiente sin cambios estructurales o envenenamiento, una larga vida de ciclo, y descargas profundas repetidas. Las características mejoradas de estas aleaciones "Ovónicas", como ahora se le llama, resultan de la adaptación del orden químico local y con esto el orden estructural local por la incorporación de elementos modificadores seleccionados dentro de una matriz principal. Las aleaciones de hidruro de metal desordenadas tienen una densidad sustancialmente aumentada de lugares catalíticamente activos y lugares de almacenamiento comparados con los materiales cristalinos con multifase. Estos lugares adicionales son responsables de la eficiencia mejorada de la carga/descarga electroquímica y un aumento en la capacidad de almacenamiento de energia eléctrica. La naturaleza y el número de lugares de almacenamiento se puede aún diseñar independientemente de los lugares catalíticamente activos. Más específicamente, estas aleaciones se adaptaron para permitir el almacenamiento en volumen de los átomos de hidrógeno desasociados cuando se unen las fuerzas dentro del rango de reversibilidad adecuado para usarse en aplicaciones de bateria secundaria.

Algunos materiales de almacenamiento de hidrógeno electroquímicos extremadamente eficientes se formularon, basados en los materiales desordenados descritos anteriormente. Estos son los materiales activos tipo Ti-V-Zr-Ni como se describen en la Patente de E.U.A. No.4,551,400 ("la Patente MOO") de Sapru, Hong, Fetcenko, and Venkatesan, cuya descripción se incorpora aqui por referencia. Estos materiales reversiblemente forman hidruros para poder almacenar hidrógeno. Todos estos materiales utilizados en la Patente MOO utilizan una composición genérica de Ti-V-Ni, donde por lo menos Ti, V, y Ni están presentes y se pueden modificar con Cr, Zr, y Al. Los materiales de la Patente MOO son materiales de multifase, los cuales pueden contener, pero no están limitados a, una o más fases con estructuras de cristal tipo C?4 y C?5. Otras aleaciones Ti-V-Zr-Ni también se usan para electrodos negativos de almacenamiento de hidrógeno recargables. Una familia de materiales es aquella descrita en la Patente de E.U.A. No. 4,728,586 ("la Patente '586") de Venkatesan, Reichman, y Fetcenko, cuya descripción se incorpora aqui por referencia. La Patente x586 describe una sub-clase especifica de estas aleaciones Ti-V-Ni-Zr que comprenden Ti, V, Zr, Ni, y un quinto elemento componente, Cr. La Patente ?586, menciona la posibilidad de aditivos y modificadores además de Ti, V, Zr, Ni y componentes Cr de las aleaciones, y generalmente, plantea aditivos y modificadores específicos, las cantidades e interacciones de estos modificadores, y los beneficios particulares que se pueden esperar de ellos. En contraste con de las aleaciones Ovónicas descritas anteriormente, las aleaciones más antiguas generalmente . se consideraban materiales "ordenados" que tenían diferente químicas, microestructura y características electroquímicas . El rendimiento de los materiales ordenados anteriores era deficiente, pero al principio de los 80' s, a medida que el grado de modificación aumentó (esto es a medida que el número y cantidad de modificadores aumentó) , su rendimiento empezó a mejorar significativamente, esto es debido en gran parte al desorden contribuido por los modificadores al igual que a sus propiedades eléctricas y químicas. Esta evolución de aleaciones de una clase especifica de materiales "ordenados" al multicomponente actual aleaciones "desordenadas" de multifase se muestran en las siguientes patentes: (i) Patente de E.U.A. No. 3,874,928; (ii) Patente de E.U.A. No . , 21 , 043; (iii) Patente de E.U.A. No. , 107, 395; (iv) Patente de E.U.A. No. 4,107,405; (v) Patente de E.U.A. No. 4,112,199; (vi) Patente de E.U.A. No, 4,125,688; (vii) Patente de E.U.A. No. 4,214,043; ' (viii) Patente de E.U.A. No. 4,216,274; (ix) Patente de E.U.A. No. 4,487,817; (x) Patente de E.U.A. No. 4,605,603; (xii) Patente de E.U.A. No. 4,696,873; y (xiii) Patente de E.U.A. No. 4,699,856. (Estas referencias se discuten extensivamente en la Patente de E.U.A. No. 5,096,667 y esta discusión se incorpora específicamente aqui por referencia) . Simplemente establecido, en todas las aleaciones dé metal-hidruro, a medida que el grado de modificación aumenta, el papel de la aleación de base inicialmente ordenada es de menor importancia comparada con las propiedades y el desorden atribuible a los modificadores particulares. Además, el análisis de las presentes aleaciones de componentes disponibles en el mercado y producidas por una variedad de fabricantes indica que estas aleaciones se modifican siguiendo los lineamientos establecidos para los sistemas de aleaciones Ovóricas. De este modo, como se estableció anteriormente, todas las aleaciones altamente modificadas son materiales desordenados caracterizados por componentes múltiples y fases múltiples, es decir aleaciones Ovónicas. Ovshinsky y sus equipos después dirigieron su atención al electrodo positivo de las baterias. Los electrodos positivos hoy en dia son electrodos de níquel típicamente empastados, los cuales consisten de partículas de hidróxido de niquel en contacto con una red conductora o sustrato, preferentemente que tenga una alta área de superficie. Han habido numerosas variantes de estos electrodos incluyendo los llamados electrodos de niquel unidos con plástico los cuales utilizan grafito como un microconductor y también incluyendo los electrodos llamados espuma-metal los cuales utilizan espuma de niquel de alta porosidad como un sustrato cargado con partículas esféricas de hidróxido de niquel y aditivos de cobalto mej oradores de conductividad. Los electrodos empastados del tipo espuma-metal han empezado a penetrar el mercado del consumidor debido a su bajo costo y a su más alta densidad de energia con relación a los electrodos de niquel sinterizados . Convencionalmente, la reacción de electrodos de la bateria de niquel se ha considerado como un proceso de electrones que involucra oxidación de hidróxido de niquel divalente a oxihidróxido de niquel trivalente en la carga y descarga subsecuente de oxihidróxido de niquel trivalente a hidróxido de niquel divalente, como se muestra en la ecuación 2 más adelante. Algunas evidencias recientes sugieren que el níquel cuadrivalente se involucra en la reacción redox de hidróxido de niquel. Esto no es un concepto nuevo, de hecho, la existencia de niquel cuadrivalente primero fue propuesta por Thomas Edison en algunas de sus primeras patentes de batería. Sin embargo, la utilización total del niquel cuadrivalente nunca se ha investigado. En la práctica, la capacidad de electrodos más allá de la capacidad teorética de capacidad de transferencia de un electrón no se observa usualmente. Una razón para esto es la utilización incompleta del material activo debido al aislamiento electrónico del material oxidizado. Debido a que el material de hidróxido de niquel reducido tiene una alta resistencia electrónica, la reducción del hidróxido de niquel adyacente al colector de corriente forma una menor superficie de conducción que interfiere con la reducción subsecuente del material activo oxidizado que está mucho más lejos. Ovshinsky y sus equipos han desarrollado materiales de electrodo positivo que han demostrado la transferencia confiable de más de un electrón por átomo de níquel . Dichos materiales se describen en las Patentes de E.U.A. No. 5,344,728 y 5,348,822 (las cuales describen materiales de electrodo positivo desordenados estabilizados y en la Patente de E.U.A. No. 5,569,563 registrada el 29 de octubre de 1996, y la Patente de E.U.A. No. 5,567,549 registrada el 22 de octubre de 1996. Como resultado de esta investigación en los materiales activos de electrodos positivos y negativos, la bateria de Hidruro de Metal de Niquel Ovónica (Ni-MH) ha alcanzado una etapa avanzada de desarrollo para EVs . Los equipos de Ovshinsky han sido capaces de producir baterias de vehículos eléctricos las cuales son capaces de impulsar a un vehiculo eléctrico más de 350 millas en una sola carga (Tour d' Sol 1996) . La batería Ovónica Ni-MH ha demostrado una excelente densidad de energía (hasta aproximadamente 90 Wh/Kg) , una larga vida de ciclo (más de 1000 ciclos a 80% DOD) , tolerancia al abuso, y rápida capacidad de recarga (hasta 60% en 15 minutos) . Adicionalmente, la bateria Ovónica ha demostrado más densidad de potencia que cualquier otra tecnología de batería bajo prueba y evaluación para usarse como una fuente de energía almacenada EV. Mientras que Ovshinsky y sus equipos han hecho grandes avances en baterias para vehículos verdaderamente eléctricos, la Asociación para una Nueva Generación de Vehículos (PNGV), una asociación de la industria gobierno-automotriz de E.U.A. iniciada en 1996, ha sugerido que los vehículos híbridos eléctricos (HEV's) podrían ser los candidatos principales para cumplir sus objetivos de triplicar la economía de combustible para autos en la próxima década. Para alcanzar este objetivo, se requerirían baterías de alta potencia, compactas, ligeras. El uso de un sistema de propulsión híbrido ofrece ventajas críticas tanto para la economía del combustible como para las emisiones ultra-bajas. Los motores de combustible alcanzan máxima eficiencia cuando operan a rpm constante. Por lo tanto, la eficiencia del combustible fijo se puede lograr empleando un motor de combustible de rpm constante para proporcionar energia a un sistema de almacenamiento de energia de alto poder que suministre poder pico para aceleración y también recapture energia cinética a través del uso de frenado regenerador. De igual manera, la habilidad para usar un pequeño motor que opera a una eficiencia máxima y que esta acoplado con un sistema de almacenamiento de energia de poder de pulsación ofrece el mejor diseño para minimizar las emisiones asociadas con el uso de un motor de combustible. Por lo tanto, una clave que permite la tecnología para los HEV's es un sistema de almacenamiento de energía capaz de proporcionar energía de pulsación muy alta y aceptar altas corrientes de frenado regenerador a una eficiencia muy alta. El factor de trabajo de una aplicación de energia de pulsación requiere un ciclo de vida excepcional a bajas profundidades de descarga. Es importante entender los diferentes requerimientos para ese sistema de almacenamiento de energia comparado con aquellos para un vehiculo totalmente eléctrico. El rango es un factor crítico para un EV práctico, haciendo la densidad de energía el parámetro de la evaluación crítico. La potencia y el ciclo de vida si son importantes, pero son secundarios a la densidad de energia para un EV. Al contrario, en la aplicación de poder de manipulación HEV, la densidad de poder es la consideración más importante. El ciclo de vida excelente bajo una descarga de baja profundidad también es más critica que el ciclo de vida típico a 80% DOD requerido por aplicaciones EV. La densidad de energia es importante para minimizar el peso y el espacio de la bateria, pero debido al tamaño más pequeño de bateria esta característica es menos critica que la densidad de poder. La habilidad para la rápida recarga también es esencial para permitir el frenado regenerador eficiente, y la eficiencia de carga/descarga es crítica para mantener la carga del estado de la bateria en ausencia del cargado externo. Dadas las diferencias fundamentales en los requerimientos entre el EV y aquellos para una aplicación HEV, se podrá expectar que aquellas baterias que se han optimizado actualmente para usarse en las aplicaciones EV no serán adecuadas para HEV sin un aumento en la densidad de potencia. Ya que el rendimiento demostrado de las baterias Ovónicas EV ha sido impresionante, estos diseños de baterias y de celdas se ha optimizado para usarse en EVs puros y por lo tanto no cumplen los requerimientos específicos para HEVs. Por lo tanto, hay una necesidad para baterías de alta potencia que tienen un rendimiento de potencia pico requerido por HEVs acoplados con las características de rendimiento ya demostradas y fabricación probadas de las baterias Ovónicas Ni-MH. Un objeto de la presente invención es proporcionar baterias de hidruro de níquel-metal y electrodos capaces de aumentar la salida de potencia y los índices de recarga. Otro objetivo de la presente invención es proporcionar baterias de Ni-MH que proporcionen suficiente potencia para aplicaciones EV y HEV. Estos y otros objetos se satisfacen por una bateria de hidruro de níquel-metal que incluye por lo menos un electrodo negativo que tiene un substrato de metal poroso, el mejoramiento comprende: el substrato de metal poroso que está formado de cobre, níquel con chapa de cobre, o una aleación de cobre-níquel. Estos y otros objetos también se satisfacen mediante un electrodo negativo para usarse en una bateria de hidruro de níquel-metal, dicho electrodo negativo incluye un substrato de metal poroso, el mejoramiento comprende: el substrato de metal poroso que está formado de cobre, niquel con chapa de cobre, o una aleación de cobre-níquel. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 representa un electrodo para una bateria de Ni-MH prismática fijado a una terminal de electrodo; y La Figura 2 representa los dominios de corrosión, inmunidad, y pasividad del cobre a 25°C. Un objetivo de la presente invención es mejorar la salida de potencia de una bateria recargable de hidruro de níquel-metal (Ni-MH) . Generalmente, la salida de potencia se puede aumentar disminuyendo la resistencia interna de la bateria. Al disminuir la resistencia interna se disminuye la potencia desechada debido a una disipación dentro de la batería, con . lo cual se aumenta la potencia la cual está disponible para impulsar cargas externas. La resistencia interna de una bateria de hidruro de niquel-metal se puede disminuir aumentando la conductividad de los componentes de la bateria al igual que las conexiones entre los componentes. Más específicamente, la resistencia interna se puede disminuir aumentando la conductividad de tanto los electrodos positivos como los negativos de la batería. Generalmente, una batería de Ni-MH incluye por lo menos un electrodo negativo y por lo menos un electrodo positivo. Una terminal de electrodos se puede fijar a cada uno de los electrodos negativo y positivo para poder conectar eléctricamente cada uno de los electrodos de la terminal apropiada de la bateria de Ni-MH (es decir, el electrodo negativo a la terminal negativa y el electrodo positivo a la terminal positiva) . La Figura 1 muestra una modalidad del electrodo 1 fijado a una terminal de electrodo 2 para la bateria prismática de Ni-MH. El electrodo 1 mostrado en la Figura 1 es representativo de ya sea un electrodo negativo o positivo de la bateria de Ni-MH. La terminal de electrodo 2 se puede fijar en cualquier lugar en el electrodo 1. Preferiblemente, la terminal de electrodo 2 se fija a lo largo de la parte superior del electrodo 1 para que se pueda fácilmente conectar a la terminal de batería apropiada. Más de una terminal de electrodo 2 se puede fijar a cada electrodo . La terminal de electrodo 2 puede estar formada de cualquier material eléctricamente conductor el cual sea resistente a la corrosión del medio de la bateria. Preferentemente, la terminal de electrodo 2 puede estar formada de niquel, o cobre chapado con níquel. Al formar la terminal de electrodo 2 con cobre chapado con níquel en vez de con níquel se disminuye la resistencia de la terminal de electrodo y aumenta la salida de potencia de la bateria. Las baterias de Ni-MH emplean un electrodo negativo que tiene un material activo que es capaz del almacenamiento reversible electroquímico de hidrógeno. El electrodo negativo también incluye un sustrato de metal poroso el cual sostiene el material activo. El electrodo negativo puede estar formado presionando el material activo (en la forma de polvo) dentro del sustrato de metal poroso. Para aumentar la adherencia del material activo en polvo en el sustrato de metal poroso, el electrodo negativo también se puede sinterizar. En la aplicación de un potencial eléctrico a través de una batería Ni-MH, el material de electrodo negativo activo se carga por la absorción electroquímica de hidrógeno y la generación electroquímica de iones de hidroxilo. La reacción electroquímica en el electrodo negativo es la siguiente : carga M + H20 + e" <" -> M-H + OH" descarga Las reacciones de electrodo negativo son reversibles. En la descarga, el hidrógeno almacenado se libera para formar una molécula de agua y desprende un electrón. El material activo del electrodo negativo" es un material de almacenamiento de hidrógeno. El material de almacenamiento de hidrógeno se puede escoger de los materiales activos Ti-V-Zr-Ni como aquellos descritos en la Patente de E.U.A. No. 4,551,400 ("la Patente MOO"), cuya descripción se incorpora aqui por referencia. Como se discutió anteriormente, los materiales usados en la Patente MOO utilizan una composición de Ti-V-Ni genérica, en donde por lo menos Ti, V y Ni están presentes con por lo menos uno o más de Cr, Zr y Al. Los materiales de la Patente MOO son materiales de multifase, los cuales pueden contener, pero no están limitados a, una o más fases con estructuras de .cristal tipo C?4 y C?5. Hay otras aleaciones de Ti-V-Zr-Ni las cuales también se pueden usar para material de almacenamiento de hidrógeno del electrodo negativo. Una familia de materiales es aquella descrita en la Patente de E.U.A No. 4,728,586 (la Patente 586") , cuya descripción se incorpora aqui por referencia. La Patente ?586 describe una sub-clase especifica de estas aleaciones de Ti-V-Ni-Zr comprendiendo Ti, V, Zr, Ni y un quinto componente Cr. La Patente '586 menciona la posibilidad de aditivos y modificadores más allá de los componentes Ti, V, Zr, Ni y Cr de las aleaciones, y generalmente plantea aditivos y modificadores específicos, las cantidades y las interacciones de los modificadores, y los benéficos particulares que se pueden esperar de ello. Además de los materiales descritos anteriormente, los materiales de almacenamiento de hidrógeno para electrodo negativo de la bateria Ni-MH pueden también escogerse de los materiales de aleación de hidruro de metal desordenados que se describen con detalle en la Patente de E.U.A. No. 5,277,999 ("la Patente x999"), de Ovshinsky y Fetcenko, cuya descripción se incorpora aquí por referencia. Como se discutió, el electrodo negativo puede estar formado presionando material de almacenamiento de hidrogeno activo sobre un substrato de metal poroso. La conductividad del electrodo negativo se puede aumentar aumentando la conductividad del substrato de metal poroso del electrodo negativo. Generalmente, el substrato de metal poroso incluye, pero no está limitado a, malla, rejilla, mate, papel metalizado, espuma, placa, y metal expandido. Preferentemente, el substrato de metal poroso usado para el electrodo negativo es una malla, rejilla o metal expandido. La presente invención describe un electrodo negativo para una bateria de Ni-MH que comprende un substrato de metal poroso que se forma de cobre, níquel con chapa de cobre, o una aleación de cobre-niquel . Como se usa aqui, "cobre" hace referencia a ya sea cobre puro o una aleación de cobre, y "níquel" hace referencia a ya sea níquel puro o una aleación de níquel. La Figura 2 ilustra los dominios de corrosión, inmunidad y pasivación del cobre a 25°C. El eje horizontal representa el pH del electrolito, y el eje vertical representa el potencial eléctrico del material de cobre. El potencial eléctrico se muestra con relación a la referencia de hidrógeno (eje vertical etiquetado "H") al igual que con relación a una referencia de Hg/HgO (eje vertical etiquetado "Hg/HgO") . Como se utiliza aqui, todos los valores de voltaje se dan con relación a las referencias de Hg/HgO a menos que se establezca de otra manera. El uso de cobre en celdas alcalinas se ha evitado debido a la solubilidad del cobre en un electrolito KOH. La Figura 2 ilustra que en ciertas condiciones de operación (es decir, pH y potencial) el cobre se corroerá. La Figura 2 también ilustra que en los valores apropiados del pH potencial, el cobre es inmune a la corrosión. En condiciones de operación apropiadas, un sustrato de cobre en contacto con el metal activo de hidruro de metal se protege catódicamente bajo el rango total de condiciones de operación para una celda Ni-MH. Durante el ciclo normal de carga/descarga de una bateria de Ni-MH, el electrodo negativo de hidruro de metal está a un potencial de aproximadamente -0.85 volts, y el pH en el electrodo negativo de hidruro de metal está aproximadamente en 14. Este punto de operación se muestra como un punto de operación A en la Figura 2. Como se puede ver en la Figura 2, el voltaje de operación de -0.85 volts es más bajo (es decir, más negativo) que el voltaje de disolución de cobre de aproximadamente -0.4 volts (para el pH de aproximadamente 14). De este modo, durante el ciclo normal de carga/descarga de una bateria Ni-MH, el electrodo negativo de hidruro de metal que usa un sustrato de cobre' es inmune a la corrosión. Durante la sobredescarga de una batería de Ni-MH, el electrodo positivo se convierte en un electrodo de evolución de hidrógeno en donde la reducción de niquel se reemplaza por la electrólisis de agua dentro de gas de hidrógeno y iones de hidróxido. Debido a que la bateria de Ni-MH está diseñada con un exceso estequiométrico de material activo de hidruro de metal, el potencial de electrodo negativo permanece cercano a -0.8 volts. De igual manera, el hidrógeno que evolucionó en el electrodo positivo se oxidiza en el electrodo negativo de hidruro de metal, estabilizando el potencial de electrodo negativo a aproximadamente -0.8 volts. A bajas corrientes, la sobredescarga puede ocurrir indefinidamente sin que la descarga del electrodo negativo de hidruro de metal necesite aumentar el potencial de electrodo negativo al valor requerido para la disolución de cobre. A altas corrientes, el hidrógeno evoluciona más rápido de lo que se puede recombinar y hay una descarga neta del electrodo negativo de hidruro de metal. Sin embargo, la descarga es mucho menor que aquella requerida para aumentar el potencial de electrodo negativo a un nivel que permita la disolución del cobre. Aún cuando los electrodos negativo y positivo están en corto circuito, el exceso estequiométrico de hidruro de metal asegura que el electrodo negativo de hidruro de metal permanezca a un potencial de aproximadamente -0.8 volts, y esté aún protegido de la disolución de cobre. Por esto, el cobre en el sustrato de electrodo negativo de hidruro de metal se protege bajo todas las condiciones excepto aquellas donde el electrodo negativo de hidruro de metal podria ser irreversiblemente dañado debido a su propia oxidación. Como se muestra, en condiciones de operación del electrodo negativo de hidruro de metal, el material de sustrato de cobre se protege de la corrosión. Sin embargo, para aumentar la confiabilidad de la bateria y además proteger al electrodo negativo del medio químico áspero dentro de la bateria, el sustrato de metal poroso formado de los materiales antes mencionados de cobre, niquel chapado con cobre, o una aleación de cobre-niquel también se pueden chapar adicionalmente con un material el cual sea eléctricamente conductor pero resistente a la corrosión en el medio de la bateria. Un ejemplo de un metal que se puede usar para chapar el sustrato de metal poroso incluye, pero no está limitada a, niquel. Usando cobre para formar el sustrato de metal poroso del electrón negativo tiene varias ventajas importantes. El cobre el un conductor eléctrico excelente. Por esto, se usa como un material de sustrato que disminuye la resistencia de electrodo negativo. Esto disminuye la cantidad perdida de potencia de la bateria debido a una disipación interna, y con esto se proporciona una batería de Ni-MH que tiene una potencia de salida aumentada. El cobre también es un metal maleable. La maleabilidad es muy importante debido a la expansión y contracción de los electrodos negativos durante el ciclo de carga y descarga de una batería Ni-MH. La flexibilidad aumentada del sustrato ayuda a prevenir el rompimiento del electrodo como resultado de la expansión y la contracción, con lo cual se da como resultado una confiabilidad de bateria mejorada .

La maleabilidad de .sustrato aumentada también permite que el sustrato más confiablemente sujete el material de almacenamiento de hidrógeno activo que se comprime en la superficie del sustrato. Esto disminuye la necesidad de sinterizar los electrodos negativos después de que el material activo ha sido comprimido sobre el sustrato, con lo cual se simplifica y reduce el costo del proceso de fabricación del electrodo. La conductividad del electrodo negativo también se puede aumentar aumentando la conductividad del material activo del electrodo negativo (es decir, el material activo de hidruro de metal) . La conductividad del material activo se puede aumentar incorporando cobre dentro del material de hidruro de metal. Esto se puede hacer en muchas maneras diferentes. Una forma es la de mezclar un polvo de cobre con el hidruro de metal durante la formación del material activo. Otra forma es la de encapsular partículas de hidruro de metal con cobre mediante un proceso de revestimiento por reacción química. Al igual que una conductividad incrementada, además de que el cobre permitirá una temperatura de sinterización más baja cuando el material activo se sinterice a un sustrato de cobre . La conductividad del electrodo negativo también se puede aumentar chapando con cobre el electrodo negativo después de que el material de hidruro de metal activo ha sido comprimido (y posiblemente sinterizado) sobre el sustrato. El chapado con cobre puede tener un patrón o no . Al igual que la conductividad, del electrodo incrementada, el chapado con cobre proporciona medios adicionales para asegurar que el material activo permanezca adherido al sustrato. El electrodo negativo descrito aquí es aplicable para usarse en todas las baterías de Ni-MH incluyendo, pero no limitándose a, baterias de Ni-MH prismáticas y baterias de Ni-MH laminadas con gel cilindricas. La salida de potencia de una bateria de hidruro de niquel-metal también se puede aumentar aumentando la conductividad de los electrodos positivos de la bateria. Como es en el caso de los electrodos negativos, esto se puede hacer apropiadamente seleccionando los materiales de los cuales los componentes de electrodo están hechos. Las baterías Ni-MH emplean por lo menos un electrodo positivo que tiene un material activo formado de hidróxido de níquel. El electrodo positivo también incluye un substrato de metal poroso el cual sujeta el material activo. El electrodo positivo puede estar formado presionando el material de electrodo positivo activo (en la forma de polvo) sobre un substrato de metal poroso. Una o más conexiones intermedias de electrodo se pueden fijar al electrodo positivo para eléctricamente conectar el electrodo positivo a la terminal positiva de la bateria.

Las reacciones que se llevan a cabo en el electrodo positivo son como siguen: carga Ni(OH)2 + OH" <- - NIOOH+ H20 + e~ descarga El electrodo positivo de hidróxido de niquel se describe en las Patentes de E.U.A. Nos. 5,344,728 y 5,348,822 (las cuales describen materiales de electrodos positivos desordenados estabilizados) y en la Patente de E.U.A. Nos. 5,569,563 y la Patente de E.U.A. No. 5,567,549 cuyas descripciones se incorporan aquí por referencia. La conductividad del electrodo positivo se puede aumentar aumentando la conductividad del sustrato de metal poroso del electrodo positivo. El sustrato de metal poroso del electrodo positivo incluye, pero no esta limitado a, malla, rejilla, mate, papel metalizado, espuma, placas y metal expandido. Preferentemente, el sustrato de metal poroso es espuma. Descrito aqui, esta un electrodo positivo que comprende un sustrato de metal poroso que está formado de cobre, niquel chapado con cobre o una aleación de cobre-niquel. Formando el sustrato de uno o más de estos materiales aumenta la conductividad de los electrodos positivos de la bateria. Esto disminuye la cantidad de potencia perdida debido a la disipación de potencia interna, y con esto se aumenta la salida de potencia de la batería Ni-MH.

Para proteger el substrato de metal poroso del electrodo positivo del medio áspero de la bateria, el substrato de metal poroso se puede chapar con un material el cual es eléctricamente conductor pero resistente a la corrosión en el medio de la bateria. Preferentemente, el substrato de metal poroso puede estar chapado con níquel. Los electrodos descritos aquí, se pueden aplicar a todas las baterias de Ni-MH incluyendo, pero no limitando a, baterias de Ni-MH prismáticas y baterías de Ni-MH laminadas con gel cilindricas. Otro aspecto de esta invención es una batería de hidruro de níquel-metal que tiene por lo menos un electrodo positivo del tipo descrito aqui. Y aún otro aspecto de está invención es una batería de hidruro de níquel-metal que tiene por lo menos un electrodo negativo del tipo descrito aqui. El tipo de bateria de hidruro de niquel-metal incluye, pero no está limitado a, baterías de Ni-MH prismáticas y baterías de Ni-MH laminadas con gel cilindricas (es decir celdas-AA, celdas-C, etcétera) . Ejemplo 1 La Tabla 1 abajo muestra la potencia especifica tanto en 50% como en 80% DOD (profundidad de descarga) para las baterías de Ni-MH prismáticas que tienen electrodos positivos y negativos que comprenden materiales de sustrato descritos aqui.

Tabla 1 Sustrato de electrodo Potencia Especifica .Watt/kg] Positivo Negativo 50% 80! 1) Espuma de Ni Metal expandido de Ni 214 176 2) Espuma de Ni Metal expandido de Cu 338 270 Capacidad de Celda: 121 amp-horas Dimensiones de Electrodo Positivo: 5.5" Altura x 3.5" Anchura x .0315" Profundidad Dimensiones de Electrodo Negativo: 5.25" Altura x 3.38" Anchura x .0145" Profundidad En el Ejemplo 1, las dimensiones de los electrodos positivos son de aproximadamente 5.5" de altura, aproximadamente 3.5" de anchura y aproximadamente .0315" de profundidad. Las dimensiones de los electrodos negativos son de 5.25" de altura, 3.38" de anchura y .0145" de profundidad. En la Fila 1 de la Tabla 1, tanto el sustrato de electrodo positivo como el sustrato de electrodo negativo están formados de níquel (el sustrato de electrodo positivo está formado de espuma de niquel y el sustrato de electrodo negativo está formado de metal expandido de niquel) . En este caso, la potencia especifica a 50% DOD es de aproximadamente 214 Watts/kg y la potencia especifica a 80% DOD es de aproximadamente 176 Watts/kg.

En la Fila 2 de la Tabla 1, el sustrato de electrodo positivo está formado de espuma de níquel, pero el sustrato de electrodo negativo ahora esta formado de un metal expandido de cobre. En este caso, la potencia especifica de 50% DOD es aproximadamente 338 Watts/kg y la potencia especifica a 80% DOD es aproximadamente 270 Watts/kg. La salida de potencia especifica de una batería Ni-MH se puede aumentar además ajustando la longitud, anchura y profundidad de los electrodos positivo y negativo. El Índice de altura a anchura de los electrodos (es decir, altura dividida por anchura) se define aqui como el "índice de aspecto" de los electrodos. El índice de aspecto de los electrodos positivo y negativo se puede apuntar a una potencia especifica aumentada. Además, los electrodos se pueden hacer más delgados para poder incorporar más pares de electrodos en cada bateria, con lo cual se disminuye la densidad de corriente en cada electrodo. Ejemplo 2 La Tabla 2 muestra la potencia especifica para una bateria de Ni-MH prismática usando un sustrato de electrodo positivo de espuma de niquel y un sustrato de electrodo negativo de metal expandido de cobre. Además, los Índices de aspecto de ambos de los electrodos positivo y negativo se han cambiado de aquellos del Ejemplo 1 para aumentar la salida de potencia especifica a la bateria.

Tabla 2 Sustrato de electrodo Potencia Especifica (Watt/kg) Positivo Negativo 50% 80% 1) Espuma de Ni metal expandido de Cu 505 350 Capacidad de Celda: 62 amp-horas Dimensiones de Electrodo Positivo: 3.1" Altura x 3.5" Anchura x 0.028" Profundidad Dimensiones de Electrodo Negativo: 2.9" Altura x 3.3" Anchura x 0.013" Profundidad En el Ejemplo 2, los Índices de aspecto (altura dividida por anchura) de tanto los electrodos positivos como el negativo han sido cambiados para aumentar la potencia especifica de la bateria. Los electrodos positivos tienen dimensiones de aproximadamente 3.1" de altura, por 3.5" de anchura, y los electrodos negativos tienen dimensiones de aproximadamente 2.9" de altura> por 3.3" de anchura. Los Índices de aspecto de tanto los electrodos positivos como los negativos del Ejemplo 2 son de aproximadamente .89 y aproximadamente .88 respectivamente. Por el contrario, los Índices de aspecto de los electrodos positivo y negativo del Ejemplo 1 son de aproximadamente 1.57 y aproximadamente 1.55 respectivamente. Los índices de aspecto del Ejemplo 2 son más cercanos a "uno" que aquellos del Ejemplo 1. En el Ejemplo 2, los electrodos positivo y negativo también se han hecho más delgados para incorporar más pares de electrodos en la batería, con lo cual se disminuye la densidad de corriente de cada electrodo. En el Ejemplo 2, los electrodos positivos tienen una profundidad de aproximadamente 0.028" y los electrodos negativos tiene una profundidad de aproximadamente 0.013". Las baterias Ni-MH utilizan electrodos positivo y negativo que tienen Índice de aspectos similares a aquellos del Ejemplo 2, pero usando el níquel para tanto los electrodos positivos como los negativos, teniendo una potencia específica de aproximadamente 300 Watts/kg a 50% DOD y aproximadamente 225 Watts/kg a 80% de DOD. Mientras que la invención se ha descrito junto con las modalidades preferidas y procedimientos, se deberá entender que no se pretende limitar la invención a las modalidades preferidas y los procedimientos. Sino al contrario, se pretende cubrir todas las alternativas, modificaciones y equivalencias las cuales se pueden incluir dentro del espíritu y alcance de la invención como se definirá por las reivindicaciones anexas aqui más adelante.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1. En una batería de hidruro de niquel-metal que incluye por lo menos un electrodo negativo que tiene un substrato de metal poroso, el mejoramiento está caracterizado comprende: el substrato de metal poroso está formado de cobre, niquel con chapa de cobre, o una aleación de cobre-niquel, dicho cobre o niquel con chapa de cobre o aleación de cobre-niquel se exponen a electrolitos.
2. 2. La batería de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque tal substrato de metal poroso se chapea con un material el cual es eléctricamente conductor y resistente a la corrosión en el medio de la bateria.
3. 3. La batería de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque tal material el cual es eléctricamente conductor y resistente a la corrosión en el medio de la bateria es niquel.
4. 4. En un electrodo negativo que se usa en una batería de hidruro de niquel-metal, dicho electrodo negativo incluye un substrato de metal poroso, el mejoramiento está caracterizado porque comprende: el substrato de metal poroso formado de cobre, níquel con chapa de cobre, o una aleación de cobre-níquel, tal cobre, níquel con chapa de cobre o la aleación de cobre-níquel se expone a electrolitos.
5. 5. El electrodo negativo de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque tales substratos se chapean con un material el cual es eléctricamente conductor y resistente a la corrosión en medio de la bateria.
6. 6. El electrodo negativo de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque tal material el cual es eléctricamente conductor y resistente a la corrosión en medio de la bateria es níquel.
7. 7. La batería de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque tal aleación de cobre-niquel tiene una resistividad menor que el niquel puro.
8. 8. El electrodo negativo de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque tal aleación de cobre-níquel tiene una resistividad menor que el niquel puro.
9. 9. En una bateria de hidruro de niquel-metal que incluye por lo menos un electrodo negativo que tiene un substrato de metal poroso, el mejoramiento está caracterizado porque comprende: el substrato de metal poroso que comprende cobre sustancialmente puro, el Gobre siendo expuesto a electrolitos .
10. 10. En un electrodo negativo para usar en una bateria de hidruro de niquel-metal, tal electrodo negativo incluye un substrato de metal poroso, el mejoramiento está caracterizado porque comprende: el substrato de metal poroso que comprende cobre sustancialmente puro, el cobre siendo expuesto a electrólitos .