Dispositivos de almacenamiento de energía de alto rendimiento.

Batería de plomo que comprende una serie alterna de electrodos positivos y negativos y un electrólito en contacto con los electrodos,

caracterizada por que:

- al menos un par de electrodos positivos y negativos o regiones de electrodo almacenan energía capacitivamente y uno de dichos electrodos o regiones comprende una capa de material de electrodo condensador,

- al menos un par de electrodos de la batería positivos de dióxido de plomo y negativos de plomo o regiones de electrodo almacenan energía electroquímicamente, y

- el electrolito es ácido sulfúrico, y los electrodos positivos están conectados directamente mediante un primer conductor y los electrodos negativos están directamente conectados mediante un segundo conductor

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/AU2004/001262.

Solicitante: Commonwealth Scientific and Industrial ResearchOrganisation.

Nacionalidad solicitante: Australia.

Dirección: 10 Murry Dwyer Circuit, Steel River Industrial Park Mayfield West, NSW 2305 AUSTRALIA.

Inventor/es: LAM,Lan Trieu, HAIGH,Nigel Peter, PHYLAND,Christopher G, RAND,David Anthony James.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01M10/06 ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej. BATERÍAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › H01M 10/00 Células secundarias; Su fabricación. › Acumuladores de plomo (acumuladores de semi-plomo H01M 10/20).
  • H01M10/12 H01M 10/00 […] › Estructura o fabricación.
  • H01M12/00 H01M […] › Celdas híbridas; Su fabricación (condensadores híbridos H01G 11/00).
  • H01M14/00 H01M […] › Generadores electroquímicos de corriente o tensión no previstos en los grupos H01M 6/00 - H01M 12/00; Su fabricación.
  • H01M16/00 H01M […] › Combinaciones estructurales de tipos diferentes de generadores electroquímicos.
  • H01M2/28
  • H01M4/58 H01M […] › H01M 4/00 Electrodos. › de compuestos inorgánicos diferentes de óxidos o hidróxidos, p. ej. sulfuros, selenuros, telururos, halogenuros o LiCoF y ; de estructuras polianiónicas, p. ej. fosfatos, silicatos o boratos.
  • H01M4/62 H01M 4/00 […] › Empleo de sustancias específicas inactivas como ingredientes para las masas activas, p. ej. aglomerantes, cargas.

PDF original: ES-2386915_T3.pdf

 

Dispositivos de almacenamiento de energía de alto rendimiento.

Fragmento de la descripción:

Dispositivos de almacenamiento de energía de alto rendimiento.

Antecedentes de la Invención

La presente invención se refiere a baterías de ácido-plomo de alto rendimiento.

Hay una demanda creciente para el desarrollo y la introducción de vehículos que no dependan casi exclusivamente de los combustibles fósiles, para combatir la contaminación del aire en ambientes perturbadores y reducir el consumo global de suministros limitados de combustibles fósiles. Estos vehículos se dividen en tres clases principales: vehículos eléctricos (EVs) , vehículos eléctricos híbridos (REVs) y vehículos eléctricos híbridos parciales (también conocido como vehículos de red de potencia de 42 voltios) .

Los vehículos eléctricos y vehículos eléctricos híbridos pueden usar una variedad de diferentes tipos de baterías, incluyendo baterías de plomo. Los vehículos eléctricos híbridos parciales pueden utilizar principalmente baterías de plomo, debido al reparto reducido. Los vehículos eléctricos híbridos e híbridos parciales se basan en una combinación de un motor de combustión de intervalo y una batería de alimentación. Debido a las crecientes necesidades de energía a bordo en los presentes automóviles de lujo (automóviles de motor de combustión interna) , la capacidad de los actuales alternadores de 14 voltios está cerca o más allá de su imitación. Así, vehículos eléctricos híbridos parciales han sido desarrollados. Estos vehículos eléctricos híbridos parciales emplean una batería de 36 voltios y un alternador de 4, 2 voltios. Los vehículos eléctricos híbridos parciales ofrecen algunas ventajas sobre los vehículos de motor de combustión de intervalo existentes, incluyendo un mayor uso de la energía eléctrica generada, lo que resulta en la reducción de las emisiones.

Aunque ha habido muchos avances significativos en el desarrollo de nuevas baterías y redes de energía para los vehículos que dependen al menos en parte en la energía eléctrica, las baterías utilizadas en estos vehículos todavía adolecen de una serie de problemas.

En todas estas baterías, diferentes demandas se colocan sobre la batería en términos de la corriente consumida desde y recarga de la batería en varias etapas durante el funcionamiento del vehículo. Por ejemplo, una alta velocidad de descarga se necesita desde la batería para permitir el arranque o la aceleración del motor en los vehículos eléctricos y eléctricos híbridos, respectivamente. Una alta velocidad de recarga de la batería está asociada con el frenado regenerativo.

En la situación en la que se utilizan baterías de plomo, en particular en vehículos híbridos e híbridos eléctricos parciales, la elevada velocidad de descarga de la batería y de recarga resulta en la formación de una capa de sulfato de plomo sobre la superficie de la placa negativa, y la generación de hidrógeno/oxígeno en las placas positivas y negativas. Esto en gran medida surge como resultado de las altas exigencias actuales de la batería. Las condiciones parciales del estado de carga (PSoC) bajo las que estas baterías generalmente operan es del 20-100% para los vehículos eléctricos, 40-60% para los vehículos eléctricos híbridos, y 70-90% para los vehículos eléctricos híbridos parciales. Se trata de una alta velocidad parcial del estado de carga (HRPSoC) . Bajo un trabajo HRPSoC simulado, tales como operaciones de vehículos eléctricos híbridos e híbridos parciales, las baterías de plomo fallan prematuramente debido principalmente a la acumulación progresiva de sulfato de plomo en las superficies de las placas negativas. Esto se produce porque el sulfato de plomo no se puede convertir eficientemente de nuevo en plomo de esponja durante la carga a partir del frenado regenerativo o desde el motor. Eventualmente, esta capa de sulfato de plomo desarrolla hasta tal punto que la superficie efectiva de la placa se reduce notablemente, y la placa no puede suministrar la superior corriente exigida del automóvil. Esto reduce significativamente el tiempo de vida potencial de la batería.

En otros campos de la tecnología, incluyendo la tecnología móvil o celular, sería ventajoso proporcionar tipos alternativos de baterías que ofrecen una mejora general de la vida útil y del rendimiento, mientras se atiende a las demandas de potencia diferentes en el dispositivo.

En consecuencia, existe una necesidad de baterías modificadas, incluyendo baterías de plomo, que tienen una vida útil mejorada y/o un rendimiento global mejorado en comparación con las baterías actuales.

El documento US-A-6 117 585 divulga un dispositivo de almacenamiento de energía híbrido que incluye un primer, segundo y tercer electrodos, un primer electrolito dispuesto entre el primer y segundo electrodos, y un segundo electrolito dispuesto entre el segundo y tercer electrodos. El primer y segundo electrodos (junto con el primero electrolito de intervención) forman una batería. El segundo y tercer electrodos (con el segundo electrolito de intervención) forman un condensador. El primer y tercer electrodos están directamente conectados entre sí para que la batería y el condensador estén en paralelo. En el ejemplo específico del dispositivo descrito en el documento USA-6 117 585 el primero electrodo (batería) se forma a partir de un material de NiOOH de revestimiento sobre a un sustrato de níquel, el tercer electrodo (condensador) se forma a partir de una aleación de Ni-Co como revestimiento sobre un sustrato de níquel y el segundo electrodo (común) se forma de zinc. El primer y segundo electrolitos comprenden ambos KOH. En una discusión más general, el documento US-A-6 137 585 describe ejemplos de algunos materiales populares de alta energía que han sido utilizados como ánodos en baterías recargables acuosas que incluyen cadmio, hidruros metálicos, plomo y zinc, mientras que los cátodos se han fabricado a partir de óxido de níquel, plata, óxido de plomo, y oxígeno o aire (con catalizador) . También hay una discusión general de materiales de alta energía para el ánodo de Li-ion recargable.

El documento JP 10 021900 A describe una batería de plomo que tiene una placa de electrodo positivo formada a partir de óxido de plomo que incorpora fibras de óxido de estaño que contienen óxido de antimonio.

El documento US-A-5 439 756 describe un dispositivo de almacenamiento de energía de la misma construcción general que el descrito anteriormente para el documento US-A-6 117 585.

El documento JP 04 043557 A describe una batería híbrida que tiene las características de un condensador eléctrico de doble capa y la propia batería, permitiendo así mantener la tensión estable durante un largo tiempo.

Sumario de la Invención

De acuerdo con la presente invención, se proporciona una batería de plomo que comprende una serie alterna de electrodos positivo y negativo y un electrólito en contacto con los electrodos, caracterizado porque:

- por lo menos un par de electrodos positivos y negativos o regiones de los electrodos almacenan energía capacitivamente, y uno de dichos electrodos o regiones comprende un revestimiento de material de electrodo condensador,

- por lo menos un par de electrodos de la batería de positivo plomo dióxido y negativo de plomo o regiones de electrodos almacenan energía electroquímicamente, y

- el electrolito es ácido sulfúrico, y los electrodos positivos están conectados directamente mediante un primer conductor y los electrodos negativos están directamente conectados mediante un segundo conductor.

Los electrodos positivos de dióxido de plomo y negativos de plomo o las regiones de electrodos definen una parte de la batería y un par de electrodos positivos y negativos o regiones de electrodos que almacenan energía capacitivamente definen una parte de condensador.

La parte de la batería y la parte del condensador de la batería de plomo están conectadas en paralelo en la unidad común. Por lo tanto, la parte del condensador preferentemente toma o libera carga durante la carga o descarga de alta corriente. Esto ocurre porque la parte del condensador tiene una baja resistencia interna respecto a la parte de la batería, y en primer lugar absorberá y liberará la carga durante la carga a alta velocidad (por ejemplo durante el frenado regenerativo) o durante la descarga de alta velocidad (por ejemplo, durante la aceleración del vehículo y el arranque del motor) . En consecuencia,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Batería de plomo que comprende una serie alterna de electrodos positivos y negativos y un electrólito en contacto con los electrodos, caracterizada por que:

- al menos un par de electrodos positivos y negativos o regiones de electrodo almacenan energía capacitivamente y uno de dichos electrodos o regiones comprende una capa de material de electrodo condensador,

- al menos un par de electrodos de la batería positivos de dióxido de plomo y negativos de plomo o regiones de electrodo almacenan energía electroquímicamente, y

- el electrolito es ácido sulfúrico,

y los electrodos positivos están conectados directamente mediante un primer conductor y los electrodos negativos están directamente conectados mediante un segundo conductor.

2. Batería de plomo según la reivindicación 1, caracterizada por que:

- al menos un electrodo negativo es un electrodo negativo a base de plomo;

- al menos un electrodo positivo es un electrodo positivo de dióxido de plomo;

- al menos uno de los electrodos positivos o negativos es un electrodo condensador; y

- las regiones que almacenan energía electroquímicamente están formadas por el electrodo negativo basado en plomo y el electrodo positivo basado dióxido de plomo; y

- las regiones que almacenan energía capacitivamente son el electrodo condensador y un electrodo seleccionado del electrodo negativo a base de plomo y electrodo positivo a base de dióxido de plomo.

3. Batería de plomo según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que el material del electrodo condensador comprende un material de alta área superficial seleccionado de carbono, óxido de rutenio, óxido de plata, óxido de cobalto y polímeros conductores.

4. Batería de plomo según la reivindicación 3, en la que el material de alta área superficial es un material de carbono de alta área superficial.

5. Batería de plomo según la reivindicación 4, en la que el material de carbono de alta área superficial se selecciona de carbón activado, negro de carbono, carbono amorfo, nanopartículas de carbono, nanotubos de carbono y fibras de carbono.

6. Batería de plomo según la reivindicación 5, en la que el negro de carbono tiene un área superficial comprendida entr.

6. 1000m2/g, y el carbón activado tiene un área de superficie entr.

100. 2500m2/g.

7. Batería de plomo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que la batería de plomo comprende al menos un electrodo negativo o región que comprende un revestimiento de material de electrodo condensador que es un material condensador de alta área superficial, y en la que el revestimiento incluye un aditivo que es un aditivo condensador de electrodo negativo que comprende un óxido, hidróxido o sulfato de plomo, zinc, cadmio, plata o bismuto, o una mezcla de los mismos.

8. Batería de plomo según la reivindicación 7, en la que el contenido de aditivo del electrodo negativo condensador en el revestimiento es de entre el 5-40% en peso.

9. Batería de plomo según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en la que el aditivo del electrodo condensador negativo comprende los compuestos de los siguientes metales en forma de óxido, sulfato o hidróxido: entre 1-40% en peso de Pb; 1-20% en peso de Zn; 0-5% en peso de Cd y 0-5% en peso de Ag.

10. Batería de plomo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que la batería de plomo comprende al menos un electrodo positivo o región que comprende un revestimiento de material de electrodo condensador que es un material condensador de alta área superficial, y en la que el revestimiento incluye un aditivo que es un aditivo condensador de electrodo positivo que comprende:

- Pb2O3,

- un óxido, hidróxido o sulfato de antimonio, y - opcionalmente uno o más aditivos seleccionados entre óxidos, hidróxidos y sulfatos de hierro y plomo.

11. Batería de plomo según la reivindicación 10, en la que el contenido de aditivo de electrodo positivo condensador en el revestimiento es de entre el 5-40% en peso.

12. Batería de plomo según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, en la que el aditivo del electrodo positivo condensador comprende entre 0-30% en peso de Pb en forma de óxido, sulfato o hidróxido, 1-10% en peso de

Pb2O3, 0-2% en peso de Fe en forma de óxido, sulfato o hidróxido y de 0, 05 a 1% en peso de Sb en forma de óxido, sulfato o hidróxido.

13. Batería de plomo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en la que la batería de plomo comprende un

electrodo negativo con al menos dos regiones, incluyendo una región material del electrodo de la batería y una región de material del electrodo condensador.

14. Batería de plomo según la reivindicación 13, en la que el electrodo negativo comprende una región de material

de electrodo de batería a base de plomo sobre una cara, y una región de material de electrodo negativo 10 condensador en la cara opuesta.

15. Batería de plomo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en la que cada uno de los electrodos positivo y negativo se separa de los electrodos adyacentes mediante separadores porosos.


 

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