ELECTROLITO PARA UNA CÉLULA DE BATERÍA ELECTROQUÍMICA.

La invención se refiere a células de batería electroquímicas, especialmente células no acuosas que son recargables. Tales células y baterías fabricadas a partir de una o varias células se necesitan para múltiples fines de aplicación. Son objetivos de desarrollo de nuevas células de batería son especialmente alta densidad de energía, alta intensidad de corriente máxima admisible (resistencia interna reducida), alta vida útil durante muchos ciclos de carga y descarga, costes reducidos y una alta medida de seguridad de funcionamiento. Un elemento funcional importante es el electrolito, con el que se encuentran en contacto el electrodo positivo y el negativo de células de batería. Éste contiene una sal conductora. Al menos un ion de la sal conductora (anión o catión) puede moverse en el electrolito en el sentido de que mediante la conducción de iones puede tener lugar un transporte de carga entre los electrodos necesario para la función de la célula. Especialmente la invención se refiere a electrolitos que se basan en SO2. Como electrolito que se basa en SO2 (electrolito a base de SO2) se designa un electrolito que contiene SO2 no sólo como aditivo en concentración reducida, sino con el que se garantiza la movilidad de los iones de la sal conductora, que está contenida en el electrolito y provoca el transporte de carga, al menos parcialmente mediante el SO2. Preferentemente se usa el electrolito en una célula de metal alcalino en la que el metal activo (cuyo estado de oxidación se modifica en caso de carga y descarga de la célula como consecuencia de la reacción de electrodo que se desarrolla en el electrodo negativo) es un metal alcalino, prefiriéndose especialmente litio. Sin embargo, el metal activo puede ser también un metal alcalinotérreo o un metal del grupo del sistema periódico. A continuación se hace referencia a modo de ejemplo (pero sin limitar la generalidad) predominantemente a litio como metal activo del electrodo negativo. En el caso de una célula de metal alcalino se usa como sal conductora preferentemente un tetrahaloaluminato de metal alcalino, por ejemplo LiAlCl4. Una célula de metal alcalino con un electrolito a base de SO2 se denomina a continuación como célula de metal alcalino-SO2. Otras sales conductoras preferentes son aluminatos, haluros, oxalatos, boratos, fosfatos, arseniatos y galatos de un metal alcalino, especialmente de litio. Por regla general se usa para células de batería una disolución de electrolito líquido. Por ejemplo es líquido un electrolito a base de dióxido de azufre con un contenido en dióxido de azufre de al menos aproximadamente 0,5 mol de SO2 por mol de sal conductora a temperatura ambiente. Los electrolitos líquidos tienen sobre todo la ventaja de una alta conductividad iónica, ya que los iones pueden moverse fácilmente en el líquido. Las células tienen una resistencia interna reducida y pueden accionarse con altas corrientes de carga y descarga. Estas ventajas van acompañadas sin embargo también de desventajas que especialmente afectan a la seguridad de las células de batería. Cuando la carcasa se vuelve no hermética mediante un deterioro que se produce en el funcionamiento o mediante un manejo inadecuado, sale inmediatamente un electrolito líquido, evaporándose los componentes volátiles tales como por ejemplo dióxido de azufre. La salida del electrolito puede originar molestias considerables o incluso riesgos. Así se percibe el SO2 que sale como sustancia que huele desagradablemente. En caso de contacto con el agua, la disolución de electrolito líquido reacciona en cualquie caso de manera contundente, de todos modos en caso de una célula de metal alcalino de manera enérgica. A este respecto pueden producirse no sólo nubes de niebla blancas, sino que puede llegarse a un salpicado de los componentes del electrolito que se descargan y con ello a irritaciones de la piel corrosivas. Otra desventaja de disoluciones de electrolito líquido son las medidas necesarias que deben tomarse para impedir cortocircuitos entre las conexiones internas de la célula que producen la unión eléctrica entre los contactos de célula exteriores y los electrodos contenidos en la célula. Las células deben actuar por regla general de manera independiente de la posición, o sea independientemente de su orientación en el espacio. Cuando se encuentra electrolito entre las conexiones internas de la célula, en caso de carga puede separarse un metal, por ejemplo litio, de manera reforzada en esta zona, porque allí la resistencia eléctrica es más baja que en el resto de la célula. Debido a ello aumenta el metal en una de las conducciones y origina finalmente un cortocircuito cuando entra en contacto con la otra conducción. Para impedir esto deben asumirse medidas de aislamiento costosas. Por estos y otros motivos se emprendieron numerosos estudios para evitar los riesgos e inconvenientes de un electrolito líquido. En el campo de los electrolitos orgánicos, tal como se usan en caso de las células de batería de iones litio, se propusieron sobre todo numerosas variantes de electrolitos poliméricos que aportan concretamente un aumento de la seguridad, sin embargo conllevan considerables inconvenientes en otro aspecto, especialmente con respecto a la resistencia eléctrica y con ello a la potencia eléctrica de la célula. Las propiedades relativamente mejores en este aspecto pueden alcanzarse con los denominados electrolitos de polímero en gel. Una visión general de este desarrollo se proporciona en la publicación A. M. Stephan, Review on gel polymer electrolytes for lithium batteries, European Polymer Journal 42 (2006), 21-42. La presente invención se refiere especialmente a electrolitos inorgánicos. Preferentemente no contienen ningún átomo de carbono. Sin embargo, la invención también puede usarse con electrolitos que contienen componentes 2 E08862842 27-12-2011   orgánicos, por ejemplo acetonitrilo. Para electrolitos inorgánicos se propone por ejemplo en el documento EP 1 149 429, disponer en la zona del electrodo negativo de la célula una sal en estado sólido en una estructura porosa, de manera que se encuentre en contacto con la masa activa que se deposita en el electrodo negativo. El efecto pretendido que aumenta la seguridad se debe tanto a las acciones químicas del aditivo salino, como a las acciones físicas que están relacionadas entre otras cosas con la movilidad reducida en la zona de la sal sólida. Según el documento WO 02/071507 se propone, en caso de un electrolito a base de dióxido de azufre, usar un aditivo que aumente la viscosidad de partículas sólidas inorgánicas. En el documento WO 2003/061036 se propone usar en la célula una estructura porosa de partículas, preferentemente de al menos dos fracciones de partículas sólidas que forman la estructura con distinto tamaño de partícula medio. Aunque estas propuestas son adecuadas para aumentar la seguridad de células de batería electroquímicas y garantizan buenas propiedades de funcionamiento existe además la necesidad de una solución técnica que mantenga lo más ampliamente posible las ventajas de un electrolito líquido, sobre todo con respecto a una resistencia interna reducida de la célula, pero que evite lo más ampliamente posible riesgos de seguridad. Sobre este fundamento, la invención se basa en el problema técnico de proponer un electrolito para una célula de batería electroquímica y una célula de batería que contenga este electrolito, que garantice una combinación lo más óptima posible de las propiedades contradictorias hasta un cierto grado de densidades de corriente altas permitidas y seguridad de funcionamiento alta. El objetivo se soluciona mediante un electrolito según la reivindicación 1. Configuraciones preferentes son objeto de las reivindicaciones dependientes. La invención se refiere también a una célula de batería que contiene un electrolito de este tipo. En las reivindicaciones ha de entenderse la palabra un como artículo indeterminado, no como numeral. De los elementos correspondientes de las reivindicaciones pueden estar presentes como consecuencia de eso también respectivamente varios en caso de una realización de la invención. El electrolito según la invención contiene dióxido de azufre. Preferentemente, la cantidad de SO2, con respecto a la cantidad de la sal conductora, asciende a al menos 0,1 mol de SO2 por mol de sal conductora, preferentemente al menos 0,5 mol de SO2 por mol de sal conductora. En caso de una concentración muy reducida del SO2 se observó un aumento de la resistencia específica del electrolito. El electrolito es un gel formado con la participación de un fluorosulfinato. Como fluorosulfinato en este sentido se entiende una sal de un anión [SO2F] - y un catión cualquiera. Como gel se denomina habitualmente un sistema disperso constituido por al menos dos componentes,... [Seguir leyendo]

1. Electrolito para una célula de batería electroquímica, que contiene dióxido de azufre y una sal conductora, caracterizado porque es un gel que está formado con la participación de un fluorosulfinato. 2. Electrolito según la reivindicación 1, caracterizado porque la reacción de formación de gel incluye una reacción de base de Lewis-ácido de Lewis del fluorosulfinato con un ácido de Lewis. 3. Electrolito según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque contiene un haluro metálico MX, siendo M un metal del grupo IIIa del sistema periódico y X uno de los halógenos flúor, cloro, bromo o yodo. 4. Electrolito según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gel contiene un solvato de la sal conductora con SO2. 5. Electrolito según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cantidad del SO2, con respecto a la cantidad de la sal conductora, en el electrolito es al menos 0,1 mol, preferentemente al menos 0,5 mol de SO2 por cada mol de sal conductora. 6. Electrolito según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la sal conductora se selecciona del grupo constituido por los aluminatos, haluros, oxalatos, boratos, fosfatos, arseniatos y galatos de un metal alcalino, especialmente de litio. 7. Célula de batería electroquímica que contiene un electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito según una de las reivindicaciones anteriores. 8. Célula de batería electroquímica según la reivindicación 7, caracterizada porque la masa activa del electrodo positivo contiene un compuesto metálico, preferentemente un óxido metálico. 9. Célula de batería electroquímica según la reivindicación 8, caracterizada porque la masa activa del electrodo positivo contiene un óxido metálico de un metal de transición M, especialmente de un elemento de números atómicos 22 a 28. 10 Célula de batería electroquímica según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizada porque la masa activa del electrodo positivo contiene un compuesto de intercalación. 11. Célula de batería electroquímica según una de las reivindicaciones 7 a 10, en la que al cargar la célula, mediante una reacción de electrodo, se forma un metal activo en el electrodo negativo, caracterizada porque el metal activo se selecciona del grupo constituido por los metales alcalinos, los metales alcalinotérreos y los metales del grupo IIb del sistema periódico, especialmente el metal activo litio, sodio, calcio, cinc o aluminio. 12. Procedimiento para fabricar una célula de batería según una de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque el gel se forma dentro de la célula mediante una reacción en la que participa el fluorosulfinato y un electrolito que contiene SO2 y una sal conductora. 13. Procedimiento para fabricar una célula de batería según una de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque el gel se forma fuera de la célula, se transforma al estado líquido con el efecto de fuerzas mecánicas y como líquido se introduce en la célula. 8 E08862842 27-12-2011   9 E08862842 27-12-2011   E08862842 27-12-2011   11 E08862842 27-12-2011