Electrodo y colector de corriente para condensador electroquímico que tiene doble capa eléctrica y condensador electroquímico de doble capa eléctrica formado con los mismos.

Un electrodo (15) para su uso en un condensador electroquímico,

consistiendo dicho electrodo (15) esencialmenteen:

una mezcla de un material activo y un aglutinante, comprendiendo dicho material activo un carbón activadoobtenido a partir de la carbonización y la activación posterior de un alquitrán de furano y/o una resina de furano,comprendiendo dicho aglutinante de 0,5 a 5,0 por ciento en peso de un polímero que contiene flúor; y

un colector (20) de corriente que tiene un sustrato formado a partir de un material eléctricamente conductor,encerrada por lo menos una porción de dicho sustrato en el interior de un revestimiento (30) de protecciónresistente al ácido, que consiste esencialmente en un material compuesto que tiene un material de base depolímero y un barniz eléctricamente conductor.

Electrodo y colector de corriente para condensador electroquímico que tiene doble capa eléctrica y condensador electroquímico de doble capa eléctrica formado con los mismos Campo de la invención La presente invención se refiere a un electrodo para su uso en un condensador electroquímico. Más en particular, el electrodo de la presente invención es ideal para su uso en un condensador electroquímico de una elevada capacidad de almacenamiento de energía, en el que el condensador tiene una doble capa eléctrica. A menudo, se hace referencia a tales condensadores como “ultracondensadores” o “supercondensadores”, no obstante, en el presente documento se hará referencia a los mismos simplemente como “condensadores”.

Técnica anterior

Existe un creciente interés enfocado en el uso de condensadores como medio para almacenar energía eléctrica. Estos condensadores pueden almacenar y redistribuir con eficiencia una gran cantidad de energía eléctrica. Con fines de ilustración y no de limitación, tales condensadores pueden usarse: como una fuente de alimentación principal en una ubicación particular; como una fuente de alimentación de respaldo en una ubicación particular; para garantizar la calidad de la alimentación (es decir, para compensar las “sobrecargas”, “puntas de descarga” y “saltos” de potencia a corto plazo comunes a una fuente alimentada por la red de suministro público de potencia eléctrica) ; para proporcionar nivelación de carga mediante el almacenamiento de una cantidad de energía eléctrica que se proporciona durante las horas de consumo normal y, a continuación de lo anterior, la redistribución de dicha energía eléctrica durante los periodos de demanda pico; y como una fuente de potencia primaria o secundaria para una variedad de vehículos.

Un condensador de doble capa eléctrica (DEL, double electric layer) comprende, habitualmente, un par de electrodos que se encuentran en una relación separada, entre los cuales se encuentra un electrolito. El electrolito puede ser de naturaleza o bien acuosa o bien no acuosa, dependiendo de la composición de los electrodos. Habitualmente, un separador también se encuentra en el espacio entre los electrodos. Uno o ambos de los electrodos pueden almacenar energía eléctrica a través de un mecanismo electroquímico de doble capa. En un procedimiento de almacenamiento de doble capa eléctrica, se forma una capa de electrones en el lado de electrodo de la superficie de contacto de electrodo / electrolito. También se forma una capa de iones positivos sobre el lado de electrolito de la superficie de contacto de electrodo / electrolito. La tensión a través de la superficie de contacto de electrodo / electrolito aumenta con la acumulación de carga, y se libera finalmente durante la descarga del condensador.

Uno o ambos de los electrodos de un condensador de DEL pueden ser, en general, electrodos polarizables. El electrodo polarizable puede comprender, por ejemplo, un material activo y un colector de corriente al cual se une el material activo. El material activo que se emplea más comúnmente es, probablemente, uno de una pluralidad de materiales de carbón activado. Los materiales de carbón activado son económicos y tienen una elevada área superficial específica por unidad de masa. Los electrodos se forman habitualmente a partir de materiales de carbón activado en forma de polvo de carbón activado y un aglutinante, o a partir de materiales de fibra de carbón activado tejidas o no tejidas. No obstante, a menudo se prefiere la preparación de los electrodos de DEL a partir de un polvo de carbón activado debido a su menor coste.

El documento EP–A–0680061 da a conocer un condensador de doble capa eléctrica que incluye un electrodo polarizable que tiene carbón activado y un colector de corriente. El carbón activado se obtiene mediante un procedimiento de carbonización y activación de resina de furano. Además, el electrolito usado es a base de ácido sulfúrico acuoso.

Tal como se indica anteriormente, en un condensador típico, uno o ambos de los electrodos pueden ser polarizables. No obstante, se ha encontrado que la construcción de un condensador de DEL con un electrodo polarizable y un electrodo no polarizable dota al condensador de DEL de una capacidad de energía específica aumentada que es mayor que la de un condensador con dos electrodos polarizables. En un condensador de DEL de este tipo, el almacenamiento de carga en el electrodo no polarizable tiene lugar como resultado de unas reacciones de oxidación y de reducción en la superficie de contacto del electrodo no polarizable y el electrolito. Comúnmente, se dice que un electrodo de este tipo muestra un comportamiento pseudocapacitivo farádico.

Cada uno de los electrodos de un condensador de DEL de este tipo se une, habitualmente, mediante unos ciertos medios a un colector de corriente. Los colectores de corriente se construyen comúnmente de un material que muestra conductividad eléctrica – habitualmente un metal. Debido a que por lo menos una porción del colector de corriente, junto con el material de electrodo, ha de encontrarse en el electrolito, ha de ser garantizarse que el material de colector de corriente no reaccionará de forma adversa con el mismo. Por ejemplo, el electrolito de un condensador de DEL puede consistir en un ácido sulfúrico acuoso. En un caso de este tipo han de ser adoptarse, en general, determinadas precauciones tales como, por ejemplo, revestir o proteger de otro modo la porción del colector de corriente expuesta al electrolito, debido a que el electrolito de ácido sulfúrico puede corroer o desgastar el material de colector de corriente.

A pesar de que, en la actualidad, se conocen varias realizaciones de condensadores de DEL, cada una tiene una o más desventajas inherentes. Por ejemplo, los polvos de carbón activado que se usan para formar los electrodos de los condensadores de DEL comunes a menudo se obtienen del procesamiento de material en bruto de carbón. Un polvo de carbón activado de este tipo mostrará, en general, un alto porcentaje de ceniza (por ejemplo, un 15 por ciento en peso o más) . Adicionalmente, estos polvos de carbón activado también contienen, habitualmente, una cantidad inaceptablemente elevada de mezclas de metales de transición. Por supuesto, este alto porcentaje de ceniza y gran cantidad de mezclas de metales de transición presentes en el polvo de carbón activado pasará a ser, finalmente, parte de cualquier electrodo formado a partir del mismo. La presencia de estas impurezas en un electrodo limita la tensión a la que puede cargarse un condensador de DEL que emplea el electrodo. Por ejemplo, la presencia de mezclas de metales de transición puede reducir la tensión de descomposición de un electrolito de ácido y, de ese modo, disminuir la tensión de funcionamiento de un condensador.

También existen otras desventajas para los diseños de condensador de DEL comunes. Por ejemplo, muchos de los materiales de carbón activado que se emplean para formar los electrodos de tales condensadores requieren la adición de una gran cantidad de material aglutinante. El uso de más material aglutinante da como resultado una reducción correspondiente en la cantidad de material de carbón activado presente en el electrodo resultante. Una reducción en la cantidad de carbón activado presente en el electrodo, disminuye subsiguientemente la capacidad y las capacidades de almacenamiento de energía eléctrica de un condensador en el cual se instala el electrodo. Adicionalmente, a menudo se usan el acero y metales similares para formar los colectores de corriente de un condensador de DEL. Desafortunadamente, el acero y muchos otros metales no son resistentes a un electrolito de ácido. Por ejemplo, en presencia de un electrolito de ácido sulfúrico, un colector de corriente de acero se degradará, tal como por corrosión. La corrosión de los colectores de corriente puede tener un efecto negativo sobre la capacidad de funcionamiento cíclico y la duración de servicio de un condensador. Por consiguiente, para reducir o evitar la degradación de tales colectores de corriente, los diseños de condensador de DEL comunes han empleado un revestimiento de protección que es resistente al electrolito usado en el condensador. El revestimiento de protección, dependiendo de su composición, puede aplicarse al colector de corriente mediante una variedad de procedimientos. A modo de ejemplo, un colector de corriente de acero puede utilizar una capa de protección de película de grafito. A pesar de que algunos de estos materiales de revestimiento pueden ofrecer una resistencia aceptable al electrolito en el que estos se encuentran, ha existido una gran cantidad de dificultades... [Seguir leyendo]

1. Un electrodo (15) para su uso en un condensador electroquímico, consistiendo dicho electrodo (15) esencialmente en:

una mezcla de un material activo y un aglutinante, comprendiendo dicho material activo un carbón activado obtenido a partir de la carbonización y la activación posterior de un alquitrán de furano y/o una resina de furano, comprendiendo dicho aglutinante de 0, 5 a 5, 0 por ciento en peso de un polímero que contiene flúor; y un colector (20) de corriente que tiene un sustrato formado a partir de un material eléctricamente conductor, encerrada por lo menos una porción de dicho sustrato en el interior de un revestimiento (30) de protección resistente al ácido, que consiste esencialmente en un material compuesto que tiene un material de base de polímero y un barniz eléctricamente conductor.

2. El electrodo (15) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho aglutinante es añadido a dicho carbón activado como una emulsión fluoroplástica.

3. El electrodo (15) de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la capacidad específica de dicho electrodo (15) es de 900 a 1.000 F/g en un electrolito de ácido sulfúrico.

4. Un conjunto (10) de electrodo para su uso en un condensador electroquímico, que comprende:

por lo menos un electrodo (15) , como se define en la reivindicación 1, que consiste esencialmente en una mezcla de material compuesto que tiene un material activo que comprende un carbón activado obtenido a partir de la carbonización y la activación posterior de un alquitrán de furano y/o una resina de furano, y un aglutinante de polímero que contiene flúor; y

un colector (20) de corriente, comprendiendo además dicho colector (20) de corriente:

un sustrato formado a partir de un material eléctricamente conductor, y un revestimiento (30) de protección que encierra por lo menos una porción de dicho sustrato que estará expuesta a un electrolito, una vez que dicho colector (20) de corriente esté instalado en dicho condensador electroquímico, consistiendo dicho revestimiento (30) de protección esencialmente en un material

compuesto que tiene un material de base de polímero y un barniz eléctricamente conductor, en el que dicho por lo menos un electrodo (15) está unido a dicho sustrato después de que dicho sustrato sea cubierto con dicho revestimiento (30) de protección; y en el que dicho revestimiento (30) de protección es resistente a un electrolito a base de ácido.

5. El electrodo (15) de acuerdo con la reivindicación 1, o el conjunto (10) de electrodo de acuerdo con la 30 reivindicación 4, en el que por lo menos un electrodo (15) es polarizable.

6. El conjunto (10) de electrodo de acuerdo con la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en el que dicho material de base de polímero de dicho revestimiento (30) de protección está seleccionado del grupo que consiste en betún, alquitrán, pez de alquitrán de hulla, polímeros halogenados, polímeros a base de poliuretano y polímeros de silicio orgánico.

7. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que dicho barniz eléctricamente conductor de dicho revestimiento (30) de protección está seleccionado del grupo que consiste en negro de carbono, grafito y fibra de carbono.

8. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, que además comprende la adición de un disolvente orgánico a dicho revestimiento (30) de protección de material compuesto.

9. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, en el que dicho revestimiento (30) de protección es aplicado a dicho sustrato mediante un procedimiento seleccionado del grupo que consiste en cepillado, laminado, inmersión, serigrafía y pulverización.

10. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, en el que dicho revestimiento (30) de protección comprende una mezcla de un monómero y un oligómero que contiene plastificantes y endurecedores,

mediante lo cual, después de la aplicación de dicho revestimiento (30) de protección, dicha base de polímero es generada directamente sobre la superficie de dicho sustrato mediante la polimerización de dicho monómero y dicho oligómero.

11. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 10, en el que las propiedades adhesivas y de resistencia de dicho revestimiento (30) de protección se potencian mediante la exposición a un 50 intervalo predeterminado de temperaturas elevadas.

12. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, en el que dicho por lo menos un electrodo (15) se une a dicho sustrato recubierto por revestimiento (30) de protección por medio de un adhesivo.

13. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9 y 12, en el que dicho por lo menos un electrodo (15) se une a dicho sustrato recubierto por revestimiento (30) de protección mediante presión.

14. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, 12 y 13, en el que dicho por lo menos un electrodo (15) se une a dicho sustrato recubierto por revestimiento (30) de protección tanto mediante un adhesivo como mediante medios de presión.

15. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 14, en el que dicho por lo menos un electrodo (15) es moldeado sobre dicho sustrato recubierto por revestimiento (30) de protección durante la formación de dicho por lo menos un electrodo (15) .

16. El conjunto (10) de electrodo de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 15, en el que dicho revestimiento (30) de protección es resistente al ácido sulfúrico.

17. Un condensador electroquímico de doble capa, que comprende:

por lo menos un conjunto (10) de electrodo polarizable de acuerdo con la reivindicación 4, comprendiendo además dicho conjunto (10) de electrodo polarizable:

(a) por lo menos un electrodo (15) como se define en la reivindicación 1, que comprende una mezcla de material compuesto que tiene un material activo que consiste esencialmente en un carbón activado obtenido a partir de la carbonización y la activación posterior de un alquitrán de furano y/o una resina de furano, y un aglutinante de polímero que contiene flúor; y

(b) un colector (20) de corriente, comprendiendo además dicho colector (20) de corriente: un sustrato formado a partir de un material eléctricamente conductor, y un revestimiento (30) de protección que encierra por lo menos una porción de dicho sustrato que estará expuesta a un electrolito una vez que dicho colector (20) de corriente esté instalado en dicho condensador electroquímico, consistiendo dicho revestimiento (30) de protección esencialmente en un material compuesto que tiene un material de base de polímero y un barniz eléctricamente conductor que es resistente a un electrolito a base de ácido,

por lo menos un conjunto (10) de electrodo no polarizable, comprendiendo además dicho conjunto de electrodo (15) no polarizable:

(i) por lo menos un electrodo (15) no polarizable que consiste esencialmente en una mezcla de material compuesto de un dióxido de metal y un sulfato de metal; y

(ii) un colector (20) de corriente, comprendiendo además dicho colector (20) de corriente:

un sustrato formado a partir de un material eléctricamente conductor, y un revestimiento (30) de protección que encierra por lo menos una porción de dicho sustrato que estará expuesta a un electrolito una vez que dicho colector (20) de corriente esté instalado en dicho condensador electroquímico, consistiendo dicho revestimiento (30) de protección esencialmente en un material compuesto que tiene un material de base de polímero y un barniz eléctricamente conductor que es resistente a un electrolito a base de ácido, una envuelta para alojar tanto dicho por lo menos un conjunto (10) de electrodo polarizable como dicho por lo menos un conjunto (10) de electrodo no polarizable; por lo menos un separador, en el interior de dicha envuelta, para separar dicho por lo menos un conjunto (10) de electrodo polarizable de dicho por lo menos un conjunto (10) de electrodo no polarizable; y un electrolito a base de ácido que se encuentra en el interior de dicha envuelta y entre dicho por lo menos un conjunto (10) de electrodo polarizable y dicho por lo menos un conjunto (10) de electrodo no polarizable;

en el que el almacenamiento de carga se logra en dicho por lo menos un conjunto (10) de electrodo polarizable, por medio de un mecanismo electroquímico de doble capa no farádico que tiene lugar en una superficie de contacto entre dicho electrodo (15) polarizable y dicho electrolito; y en el que dicho almacenamiento de carga se logra en dicho por lo menos un conjunto (10) de electrodo no polarizable por medio de unas reacciones de oxidación / reducción que tienen lugar en una superficie de contacto entre dicho electrodo (15) no polarizable y dicho electrolito.

18. El conjunto (10) de electrodo de acuerdo con la reivindicación 4, o el condensador electroquímico de doble capa de acuerdo con la reivindicación 17, en el que dicho sustrato conductor de dicho colector (20) de corriente comprende plomo o un compuesto de plomo.

19. El conjunto (10) de electrodo de acuerdo con la reivindicación 4, o el condensador electroquímico de doble capa de acuerdo con la reivindicación 18, en el que dicho sustrato conductor de dicho colector (20) de corriente comprende una mezcla de plomo y estaño.

20. El condensador electroquímico de doble capa de una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el que dicho por lo menos un electrodo (15) no polarizable consiste esencialmente en una mezcla de dióxido de plomo y sulfato de plomo.

21. El condensador electroquímico de doble capa de una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20, en el que dicha envuelta está sellada.

22. El condensador electroquímico de doble capa de una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21, en el que dicho separador envuelve por lo menos una porción de cada uno de dichos conjuntos (15) de electrodo no polarizable.

23. El condensador electroquímico de doble capa de una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, en el que dicho separador es un material de vidrio.

24. El condensador electroquímico de doble capa de acuerdo con la reivindicación 23, en el que dicho material de vidrio es permeable a iones.

25. El condensador electroquímico de doble capa de una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 24, en el que dichos electrodos polarizables y no polarizables (15) son asimétricos con respecto a la capacidad absoluta.

26. El condensador electroquímico de doble capa de acuerdo con la reivindicación 25, en el que el electrodo (15) de mayor capacidad tiene una capacidad absoluta que es por lo menos tres veces y, más preferentemente, aproximadamente diez veces la capacidad absoluta del electrodo (15) de menor capacidad.

27. El condensador electroquímico de doble capa de una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 26, en el que dicho electrolito a base de ácido es ácido sulfúrico.

28. El condensador electroquímico de doble capa de una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 27, en el que dichos electrodos (15) polarizables y no polarizables están dispuestos en una relación alterna y sustancialmente separada de manera uniforme.

29. Un condensador electroquímico de doble capa, que comprende:

una pluralidad de conjuntos (10) de electrodo polarizable tal como se define en la reivindicación 4, comprendiendo cada uno de dichos conjuntos (10) de electrodo polarizable:

(a) por lo menos un electrodo (15) como se define en la reivindicación 1, que consiste esencialmente en una mezcla de material compuesto que tiene un material activo que comprende un carbón activado obtenido a partir de la carbonización y la activación posterior de un alquitrán de furano y/o una resina de furano, y un aglutinante de polímero que contiene flúor; y

(b) un colector (20) de corriente, comprendiendo además dicho colector (20) de corriente:

un sustrato formado a partir de un material eléctricamente conductor, y un revestimiento (30) de protección que encierra por lo menos una porción de dicho sustrato que estará expuesta a un electrolito una vez que dicho colector (20) de corriente esté instalado en dicho condensador electroquímico, consistiendo dicho revestimiento (30) de protección esencialmente en un material compuesto que tiene un material de base de polímero y un barniz eléctricamente conductor que es resistente a un electrolito a base de ácido, una envuelta para alojar dicha pluralidad de conjuntos (10) de electrodo polarizable; por lo menos un separador en el interior de dicha envuelta para separar dicha pluralidad de conjuntos (10) de electrodo polarizable; y un electrolito a base de ácido que se encuentra en el interior de dicha envuelta y entre dicha pluralidad de conjuntos (10) de electrodo polarizable; en el que el almacenamiento de carga se logra en cada uno de dicha pluralidad de conjuntos (10) de electrodo polarizable por medio de un mecanismo electroquímico de doble capa no farádico que tiene lugar en una superficie de contacto entre dicho electrodo (15) polarizable y dicho electrolito.