ELECTRODO PARA DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA Y SUPERCONDENSADOR ELECTROQUIMICO BASADO EN DICHO ELECTRODO.

Un electrodo que comprende un substrato eléctricamente conductor,

una capa de polímero redox acumulador de energía, depositada sobre el substrato, siendo el polímero redox un complejo de metal polimérico con una base de Schiff tetradentada, sustituida, seleccionada del grupo poli-[Me (R, R''-Y)], donde: Me es un metal de transición; Y es un grupo puente que une los átomos de Nitrógeno en la base de Schiff; R es un sustituyente donador de electrones que comprende un grupo funcional (X)O-, -COO(X), donde (X) es un metal alcalino; R''es Hidrógeno o Halógeno y en que el complejo de metal polimérico presenta la siguiente estructura: **(Ver fórmula)** con n seleccionado del intervalo de 2 a 50.000

Electrodo para dispositivos de almacenamiento de energía y supercondensador electroquímico basado en dicho electrodo.

Campo de la invención

La invención reivindicada en la presente memoria se refiere a ingeniería eléctrica y más específicamente a electrodos y dispositivos de almacenamiento de energía a base de electrodos y se puede usar para la creación de dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica o fuentes secundarias de corriente, tales como supercondensadores.

Fundamentos de la invención

Las fuentes secundarias de corriente hacen posible acumular, almacenar y liberar energía eléctrica a un circuito eléctrico externo. Entre estas fuentes secundarias están las baterías convencionales, los condensadores convencionales y los condensadores electroquímicos (también denominados Supercondensadores o Ultracondensadores).

Un supercondensador electroquímico comprende normalmente una caja cerrada herméticamente rellena con un electrolito, un electrodo positivo (cátodo) y un electrodo negativo (ánodo) colocados en el interior de la caja, un separador, tal como una membrana que separa el espacio del ánodo del espacio del cátodo y terminales de plomo especiales que acoplan el supercondensador a circuitos eléctricos externos.

Los supercondensadores electroquímicos se basan en el método capacitivo (no tipo batería) o Farádico (tipo batería) para almacenar energía eléctrica. En el primer caso, la capacidad de la doble capa eléctrica formada en la frontera electrolito/electrodo se usa para almacenamiento de energía. Los materiales típicamente de carbono con una superficie específica grande se usan en dispositivos capacitivos como electrodos. Durante el proceso de carga/descarga en un dispositivo capacitivo no tienen lugar cambios químicos o de fases ni en la superficie del electrodo ni en el interior del electrodo.

En los dispositivos del segundo tipo el proceso de carga/descarga va acompañado de reacciones redox en las superficies de los electrodos. Por contraste a las baterías, estos procedimientos tienen lugar en el interior de una capa delgada de un compuesto eléctricamente activo en la superficie de los electrodos. En los supercondensadores mejor conocidos de este tipo se recubre la superficie de los electrodos con óxidos de metal.

Típicamente, ambos métodos de acumulación de energía se llevan a cabo en dispositivos reales, sin embargo, siempre es posible decir qué método hace la principal contribución al proceso de acumulación de energía y clasificar el condensador por el método de almacenamiento de energía.

Los supercondensadores electroquímicos presentan una potencia específica muy alta hasta tan alta como 10 kW/kg y una larga vida útil de hasta 1 millón de ciclos de carga/descarga. Estas características proporcionan un amplio intervalo de aplicaciones potenciales para tales supercondensadores electroquímicos.

Sin embargo, los supercondensadores electroquímicos conocidos presentan desventajas, de las cuales la más importante es su baja capacidad de energía específica. El valor de la capacidad de energía específica de productos comercialmente disponibles está en el intervalo de 1-10 W-h/kg.

Los valores máximos de la capacidad de energía específica de aproximadamente 30 W-h/kg se reivindicaron para los supercondensadores electroquímicos del tipo Farádico, que comprendían electrodos de carbono con óxido de rutenio en su superficie. Sin embargo, el alto coste del rutenio impide la amplia aplicación de tales dispositivos.

Las desventajas descritas anteriormente están basadas en factores objetivos. Los valores máximos de la capacidad de energía específica de los supercondensadores conocidos están limitados principalmente por la naturaleza de los óxidos de metal - los materiales usados en la fabricación de los electrodos, que también contribuyen al alto coste de estos dispositivos.

En una solicitud internacional "Polymer-modified electrode for energy storage devices and electrochemical supercapacitor based on said polymer-modified electrode", la patente internacional WO 03065536A2, un electrodo modificado químicamente comprende un substrato conductor y una capa de un polímero redox acumulador de energía depositado en la capa. El polímero redox es un compuesto complejo de polímero de tipo pila de un metal de transición con al menos dos grados de oxidación diferentes. El polímero redox también comprende fragmentos de monómero de una estructura planar con un sistema ramificado de enlaces p conjugados y la desviación del plano de no más de 0,1 nm.

Se puede usar un complejo de metal polimérico con una base de Schiff tetradentada, sustituida, como compuesto complejo polimérico de un metal de transición - por ejemplo, se puede usar el compuesto del grupo: poli-[Me(R, R'-Salen)], donde:

Me - metal de transición;

Salen - resto de bis-(salicilaldehído)etilendiamina en base de Schiff;

R - sustituyente donador de electrones, por ejemplo, CH₃O-, C₂H₅O-, HO- o -CH₃;

R'-H o Halógeno

como dicho complejo de metal polimérico.

Los dispositivos acumuladores de energía con electrodos que comprenden polímeros redox pueden poseer las propiedades de diferentes tipos de supercondensadores y de baterías electroquímicas, es decir, una alta potencia específica y alta capacidad de energía específica, respectivamente. La principal característica de distinción del condensador electroquímico conocido es el diseño de sus electrodos - al menos uno de ellos se hace como electrodo químicamente modificado.

Se debería observar que los ejemplos dados en la solicitud de patente internacional WO 03065536A2 no agotan las posibles maneras de usar los complejos de metal poliméricos con base de Schiff tetradentada, sustituida.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona un electrodo con una alta capacidad de energía específica usando nuevos complejos de metal poliméricos con una base de Schiff tetradentada, sustituida, así como proporciona un condensador electroquímico basado en este electrodo.

El electrodo para dispositivos de almacenamiento de energía comprende un substrato conductor con una capa depositada de un polímero redox acumulador de energía que es un complejo de metal polimérico con una base de Schiff tetradentada, sustituida, del grupo poli-[Me (R, R'-Y)], donde:

Me - metal de transición;

Y - un grupo puente que une los átomos de nitrógeno en la base de Schiff;

R - un sustituyente donador de electrones que es un grupo funcional (X)O-, -COO(X), donde (X) es un metal alcalino, por ejemplo, Li o Na;

R'-H o Halógeno;

El complejo de metal polimérico presenta la siguiente estructura:

donde n puede tomar cualquier valor dentro del intervalo de 2 a 50.000.

El nuevo electrodo difiere del descrito en la solicitud de patente internacional WO 03065536 en que se usa un metal alcalino - (X), por ejemplo Li o Na, en el grupo funcional (X)O-, -COO(X) del sustituyente R donador de electrones. El uso de un metal alcalino permite aumentar la capacidad de energía específica del dispositivo de almacenamiento de energía.

Se puede usar salen, que es un resto de bis(salicilaldehído)etilendiamina, como grupo puente - Y uniendo los átomos de nitrógeno de la base de Schiff. En este caso el compuesto presenta la siguiente estructura:

Se puede usar saltmen, que es un resto de bis(salicilaldehído)-tetrametiletilendiamina, como grupo puente - Y, uniendo los átomos de nitrógeno en la base de Schiff. En este caso el compuesto presenta la siguiente estructura:

Se puede usar salfen, que es un resto de bis(salicilaldehído)-o-fenilendiamina, como grupo puente - Y, uniendo los átomos de nitrógeno en la base de Schiff.

Se puede...

1. Un electrodo que comprende un substrato eléctricamente conductor, una capa de polímero redox acumulador de energía, depositada sobre el substrato, siendo el polímero redox un complejo de metal polimérico con una base de Schiff tetradentada, sustituida, seleccionada del grupo poli-[Me (R, R'-Y)],

donde: Me es un metal de transición;

Y es un grupo puente que une los átomos de Nitrógeno en la base de Schiff;

R es un sustituyente donador de electrones que comprende un grupo funcional (X)O-, -COO(X), donde (X) es un metal alcalino;

R' es Hidrógeno o Halógeno y

en que el complejo de metal polimérico presenta la siguiente estructura:

con n seleccionado del intervalo de 2 a 50.000.

2. El electrodo según la reivindicación 1, en el que el metal alcalino es Li o Na.

3. El electrodo según la reivindicación 2, en el que el grupo puente Y que une los átomos de Nitrógeno en la base de Schiff comprende Salen, que es un resto de bis(salicilaldehído)-etilendiamina.

4. El electrodo según la reivindicación 2, en el que Saltmen, que es un resto de bis(salicilaldehído)-tetrametiletilendiamina, se usa como grupo puente - Y, uniendo los átomos de Nitrógeno en la base de Schiff.

5. El electrodo según la reivindicación 2, en el que el complejo de metal polimérico comprende el metal de transición seleccionado del grupo que consiste en: Ni, Pd, Co, Cu y Fe.

6. El electrodo según la reivindicación 2, en el que el substrato conductor se hace de fibra de carbono o de metal y presenta una superficie que libera complejo.

7. El electrodo según la reivindicación 2, en el que el substrato conductor se hace de carbono y presenta un recubrimiento de metal.

8. El electrodo según la reivindicación 2, en el que el substrato conductor se hace de un polímero con conducción electrónica hecha de una película, estructura porosa o espuma.

9. Un condensador electroquímico que comprende una caja que aloja un electrodo positivo y un electrodo negativo dispuestos en el interior de la caja y un electrolito que llena el espacio entre los electrodos, en el que el electrodo positivo es un electrodo según cualquiera de las reivindicaciones 1-8.

10. El condensador según la reivindicación 9, en el que el electrodo negativo comprende un material activo que contiene el mismo metal alcalino contenido en la composición del sustituyente donador de electrones del polímero redox del electrodo positivo.

11. El condensador según la reivindicación 9, en el que el electrodo negativo comprende un substrato eléctricamente conductor, una capa de polímero redox acumulador de energía depositada sobre el substrato, comprendiendo el polímero redox un complejo de metal polimérico con una base de Schiff tetradentada, sustituida, seleccionada del grupo poli-[Me (R, R'-Y)],

en el que Me es un metal de transición;

Y es un grupo puente que une los átomos de Nitrógeno en la base de Schiff;

R es un sustituyente donador de electrones que comprende un grupo funcional (X)O-, -COO(X), donde (X) es un metal alcalino contenido en la composición del sustituyente donador de electrones del polímero redox de acumulación de energía del electrodo positivo; R' es Hidrógeno o Halógeno y en el que el complejo de metal polimérico presenta la siguiente estructura:

con n seleccionado del intervalo de 2 a 50.000.

12. El condensador según la reivindicación 9, en el que el electrodo negativo comprende un substrato conductor y una capa de polímero redox acumulador de energía depositada sobre el substrato, en el que el polímero redox es un complejo de metal polimérico con una base de Schiff tetradentada, sustituida, seleccionada del grupo poli-[Me (R, R'Y)], donde:

Me - metal de transición;

Y - el grupo puente que une los átomos de nitrógeno en la base de Schiff;

R - sustituyente donador de electrones en forma de un grupo funcional (X)O-, ­COO(X), donde (X) es un metal alcalino contenido en la composición del sustituyente donador de electrones del polímero redox de acumulación de energía del electrodo positivo;

R'-H o HIg, además, el compuesto presenta la siguiente estructura:

donde n puede ser cualquier valor en el intervalo de 2 a 50.000.

13. El condensador según la reivindicación 9, en el que el electrolito es una disolución de un compuesto en un disolvente orgánico, compuesto que es soluble en el disolvente a una concentración no menor que 0,01 moles/l y que contiene iones electroquímicamente inactivos dentro del intervalo de potenciales de -3,0 V a +1,5 V.

14. El condensador según la reivindicación 13, en el que el compuesto es una sal del metal alcalino contenido en el sustituyente donador de electrones del polímero redox de acumulación de energía del electrodo positivo, la sal del metal alcalino seleccionado del grupo que consiste en: percloratos, tetrafluoroboratos y hexafluorofosfatos.

15. El condensador según la reivindicación 13, en el que el disolvente orgánico se selecciona del grupo que consiste en: acetonitrilo, dimetilcetona y carbonato de propileno.

16. El condensador según la reivindicación 9, en el que el electrolito comprende un estabilizante.

17. El condensador según la reivindicación 9, en el que el electrolito comprende un espesante para la transición del electrolito a un estado parecido a un gel.

18. El condensador según la reivindicación 9, que además comprende un separador dispuesto entre los electrodos y que divide un espacio interno del condensador en un cátodo y un espacio anódico.

19. El condensador según la reivindicación 9, en el que la caja está hecha de un material resistente a la acción del electrolito.

20. El condensador según la reivindicación 9, que comprende además un dispositivo para verter un electrolito, una válvula de seguridad y un elemento de cierre montado en la caja del condensador.