Celda eletroquímica, y particularmente una celda con combustible electrodepositado.

Un método para cargar una celda electroquímica, en que la celda comprende:

un primer electrodo;

un segundo electrodo separado del primer electrodo;

un medio iónicamente conductor que comunica los electrodos, el medio iónicamente conductor comprende ionesde combustible reducible;

caracterizado porque:

la celda comprende además:

un electrodo de carga separado del primer electrodo, el electrodo de carga es seleccionado del grupo queconsiste de (a) el segundo electrodo, y (b) un tercer electrodo;

en donde:

el primer electrodo comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables ordenados en una relaciónespaciada;

el método comprende las etapas de:

i. aplicar una corriente eléctrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodospermeables con el electrodo de carga que funciona como un ánodo y al menos un cuerpo de electrodospermeables que funciona como un cátodo, de manera que los iones de combustible reducible se reducen yelectrodepositan como combustible en forma oxidable sobre al menos un cuerpo de electrodos permeables;

ii. dicha electrodeposición provoca el crecimiento del combustible entre los cuerpos de electrodos permeablesde manera que el combustible electrodepositado establece una conexión eléctrica entre los cuerpos deelectrodos permeables; y

iii. eliminar que la corriente eléctrica para descontinuar la carga.

Celda eletroquímica, y particularmente una celda con combustible electrodepositado

CAMPO

La presente solicitud se relaciona con una celda electroquímica para generar energía, y más particularmente una celda que usa combustible electrodepositado.

ANTECEDENTES

Las celdas electroquímicas que usan metal como el combustible son conocidas. Los ejemplos de tales dispositivos se conocen, por ejemplo, en las patentes de los Estados Unidos núms. 7, 276, 309;6, 942, 105; 6, 911, 274 y 6, 787, 260, las que se incorporan en la presente descripción en su totalidad. Una pequeña lista de desventajas de estas modalidades previas incluye: la acumulación de productos de reacción precipitados en el espacio anódico y en el espacio catódico, los asuntos relacionados con la alimentación del combustible de partículas sólidas, la lenta velocidad de oxidación neta del combustible debido al incremento de la concentración del combustible oxidado en el área adyacente al combustible aún no oxidado.

También se conocen las celdas o baterías de metal-aire que no usan partículas. Una celda de metal-aire comprende típicamente un ánodo del cual el combustible de metal se oxida, un cátodo respirante de aire en el que el oxígeno del aire ambiente se reduce, y un electrolito para soportar las reacciones de los iones oxidados/reducidos.

La presente solicitud también se esfuerza por proporcionar una manera eficaz y mejorada de cargar o recargar la celda, que puede ser usada con cualquier tipo de celda en la que se electrodeposita el combustible El documento US5458988 describe una celda zinc-aire prismática que comprende un contenedor prismático, un cátodo de aire y un conjunto de ánodo.

RESUMEN

La invención de acuerdo con la reivindicación 1 proporciona un método para cargar una celda electroquímica. La celda comprende un primer electrodo que comprende una serie de cuerpos de electrodos permeables dispuestos en relación espaciada, y un segundo electrodo separado del primer electrodo. Un electrodo de carga está separado del primer electrodo. El electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste en (a) el segundo electrodo y (b) un tercer electrodo.

Un medio iónicamente conductor comunica los electrodos y comprende iones de combustible reducibles.

El método comprende:

i. aplicar una corriente eléctrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodo permeables con la carga del electrodo funcionando como un ánodo y al menos un cuerpo de electrodos permeable funcionando como un cátodo, de tal manera que los iones de combustible reducibles se reducen y electrodepositan como combustible en forma oxidable en al menos un cuerpo de electrodos permeable;

ii. dicha electrodeposición provoca el crecimiento del combustible entre los cuerpos de electrodo permeables de manera que el combustible electrodepositado establece una conexión eléctrica entre los cuerpos de electrodo permeables; y

iii. eliminar la corriente eléctrica para interrumpir la carga.

En una modalidad no limitativa, los cuerpos de electrodos pueden estar acoplados en paralelo uno con el otro y la carga. Por lo menos un aislador de corriente puede ser conectado entre el cuerpo del electrodo terminal y los otros cuerpos de 50 electrodo y la carga. El al menos un aislador de corriente impide la conducción a los otros órganos de electrodo de la corriente eléctrica aplicada al cuerpo electrodo terminal durante la carga. Además, el al menos un aislador de corriente permite la conducción de la corriente eléctrica desde el cuerpo del electrodo terminal para la carga cuando se usa la celda electroquímica.

Otros aspectos de la presente invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, los dibujos que se acompañan, y las reivindicaciones adjuntas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 es una vista en perspectiva, en despiece de una modalidad de un sistema de celda electroquímica que incluye cuatro celdas electroquímicas;

La Figura 2 es una vista superior del sistema de celda electroquímica de la Figura 1;

La Figura 3 es una vista seccional transversal del sistema de celda electroquímica de la Figura 2, tomada a lo largo de la línea III-III; La Figura 4 es una vista seccional transversal del sistema de celda electroquímica de la Figura 2, tomada a lo largo de la 10 línea IV-IV; La Figura 5 es una vista de fondo del sistema de celda electroquímica de la Figura 1; La Figura 6 es una vista superior de la base inferior de la Figura 5;

La Figura 7 es una vista en sección transversal de la base inferior de la Figura 6, tomada a lo largo de la línea VII-VII;

La Figura 8 es una vista en perspectiva, en despiece de un soporte de ánodo y una pluralidad de ánodos del sistema de celda electroquímica de la Figura 1;

La Figura 9 es una vista superior del soporte de ánodo de la Figura 8;

La Figura 10 es una vista inferior en perspectiva del soporte de ánodo de la Figura 8;

La Figura 11 es una vista de fondo de un distribuidor del sistema de celda electroquímica de la Figura 1; La Figura 12 es una vista de fondo de un recubrimiento del sistema de celda electroquímica de la Figura 1; La Figura 13 es una vista esquemática de los flujos dentro de las celdas electroquímicas de la Figura 1;

La Figura 14 es una vista esquemática de una celda electroquímica con una pila de cuerpos de electrodo permeables para la recarga durante su operación de generación de corriente;

La Figura 15 es una vista esquemática de la celda de la Figura 14 durante su operación de carga;

La Figura 16 es una vista esquemática aislada de los cuerpos de electrodo y del crecimiento del combustible electrodepositado encima;

La Figura 17 muestra la progresión del crecimiento en la Figura 16;

La Figura 18 muestra la progresión continuada del crecimiento en las Figuras 16 y 17;

La Figura 19 es una vista esquemática similar a la Figura 16, pero mostrando una modalidad alternativa; y

La Figura 20 muestra una vista esquemática similar a la Figura 16, pero mostrando aún otra modalidad alternativa.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Los principios de la presente invención pueden ser generalmente aplicados a cualquier celda electroquímica en que un 50 combustible, tal como un combustible metálico, se electrodeposita sobre el ánodo. Tales celdas pueden incluir baterías, tal como baterías de metal - aire, por ejemplo. Las figuras ilustran modalidades de varios aspectos de las invenciones reivindicadas. Estas modalidades no pretende ser de ninguna manera limitativas, y se muestran sólo como ejemplos para facilitar la comprensión de los principios de las invenciones reivindicadas.

Por ejemplo, un ejemplo no limitativa de una celda electroquímica con la cual los principios de la presente invención puede usarse se muestra en la sol. provisional de Estados Unidos con núm. de serie 61/136, 330, presentada el 28 de agosto de 2008, la totalidad de la cual se incorpora en la presente como referencia.

Las Figuras 1-4 ilustran otro ejemplo de un sistema de celda electroquímica, generalmente indicado con 1, de acuerdo con 60 las modalidades de la presente invención. Como se ilustra y describe más abajo, el sistema de celda electroquímica 1

incluye una pluralidad de celdas electroquímicas 10, y dos de las celdas electroquímicas 10 se muestran más claramente en sección transversal en la Figura 4. Aunque en esta modalidad se ilustra un total de cuatro celdas electroquímicas, se pueden incluir más o menos celdas electroquímicas en el sistema. Claramente, en algunas aplicaciones, un arreglo bidimensional grande de celdas electroquímicas en paralelo pueden crearse para proporcionar salida aumentada de energía. En otras modalidades, las celdas pueden estar en serie. La modalidad ilustrada no pretende ser limitativa de ninguna manera y no es más que un ejemplo.

Como se discute con más detalle más abajo, cada celda electroquímica 10 tiene un cátodo 12 y un ánodo 14 (dos ánodos se muestran en la Figura 1, cada uno representando una de las celdas electroquímicas 10) . Como se utiliza en la presente, el ánodo 14 es donde el combustible del sistema se oxida. Como se discute con más detalles más abajo, el ánodo 14 consta del combustible en la forma de combustible sólido electrodepositado sobre un cuerpo de electrodos electroconductor, pero que generalmente puede ser referido como ánodo, aun cuando el combustible no se encuentre presente. El sistema de celda electroquímica 1 puede incluir además una entrada 16, y una entrada del oxidante 18, que permite que el oxidante entre al sistema. En algunas modalidades,... [Seguir leyendo]

1. Un método para cargar una celda electroquímica, en que la celda comprende:

un primer electrodo;

un segundo electrodo separado del primer electrodo; un medio iónicamente conductor que comunica los electrodos, el medio iónicamente conductor comprende iones de combustible reducible;

caracterizado porque:

la celda comprende además:

un electrodo de carga separado del primer electrodo, el electrodo de carga es seleccionado del grupo que consiste de (a) el segundo electrodo, y (b) un tercer electrodo;

en donde:

el primer electrodo comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables ordenados en una relación espaciada;

el método comprende las etapas de:

i. aplicar una corriente eléctrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodos permeables con el electrodo de carga que funciona como un ánodo y al menos un cuerpo de electrodos permeables que funciona como un cátodo, de manera que los iones de combustible reducible se reducen y

electrodepositan como combustible en forma oxidable sobre al menos un cuerpo de electrodos permeables;

ii. dicha electrodeposición provoca el crecimiento del combustible entre los cuerpos de electrodos permeables de manera que el combustible electrodepositado establece una conexión eléctrica entre los cuerpos de electrodos permeables; y

iii. eliminar que la corriente eléctrica para descontinuar la carga.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los iones de combustible son reducibles y el combustible electrodepositado es combustible de metal electrodepositado.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde durante dicha carga de la celda electroquímica:

la corriente eléctrica se aplica entre un terminal de los cuerpos de electrodos permeables con el electrodo de carga que funciona como el ánodo y el cuerpo de electrodos terminal que funciona como el cátodo, de manera que los iones del combustible de metal reducible se reducen y electrodepositan como combustible de metal en forma oxidable sobre el cuerpo de electrodos permeables terminal;

dicha electrodeposición causa el crecimiento del combustible de metal entre los cuerpos de electrodos permeables de manera que el combustible de metal electrodepositado establece una conexión eléctrica entre el cuerpo de electrodos terminal y cada cuerpo de electrodos permeables subsiguiente donde dicha reducción y deposición ocurren sobre cada cuerpo de electrodos permeables subsiguiente al establecerse dicha conexión 45 eléctrica.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el medio iónicamente conductor es un electrolito, en donde durante dicha carga de la celda electroquímica el electrolito fluye a lo largo de una trayectoria de flujo a través de los cuerpos de electrodos permeables, y dicha electrodeposición causa el crecimiento del combustible del metal en una 50 morfología permeable al flujo.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el cuerpo de electrodos permeables terminal es el cuerpo de electrodos próximo al electrodo de carga.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el cuerpo de electrodos permeables terminal es el cuerpo de electrodos distal del electrodo de carga.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el cuerpo de electrodos permeables terminal es un cuerpo de electrodos intermedio entre los cuerpos de electrodo próximos y distal del electrodo de carga.

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, en donde dicho crecimiento del combustible de metal se selecciona del grupo que consiste de crecimiento morfológico ramificado denso y crecimiento dendrítico.

9. Un método para operar una celda electroquímica, el método comprende, cargar una celda electromecánica de acuerdo con el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, y generar corriente eléctrica usando la celda electroquímica oxidando el combustible sobre los cuerpos de electrodo permeables del primer electrodo que funciona como ánodo y reduciendo un oxidante en el segundo electrodo que funciona como un cátodo donde los electrones se generan del primer electrodo al segundo electrodo a través de una

carga, y los iones de combustible oxidado y los iones de oxidante reducido reaccionan para formar un subproducto.

10. Una celda electroquímica que comprende:

un primer electrodo;

un segundo electrodo separado del primer electrodo; un medio iónicamente conductor que comunica los electrodos, el medio iónicamente conductor comprende iones de combustible reducible;

caracterizado porque:

la celda comprende además:

un electrodo de carga separado del primer electrodo, el electrodo de carga es seleccionado del grupo que consiste de (a) el segundo electrodo, y (b) un tercer electrodo;

en donde:

el primer electrodo comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables ordenados en la relación espaciada;

la relación espaciada de dichos cuerpos de electrodos permeables del primer electrodo permite que se aplique una corriente eléctrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de ánodos permeables; el electrodo de carga se configura para funcionar como un ánodo y al menos un cuerpo de electrodos permeables se configura para funcionar como un cátodo; la serie de cuerpos de electrodos permeables se arregla para permitir que los iones de combustible reducible se reduzcan y se electrodepositen como combustible en forma oxidable sobre al menos un cuerpo de electrodos permeables, y causar el crecimiento del combustible sobre los cuerpos de electrodos permeables de manera que el combustible electrodepositado establezca una conexión eléctrica entre los cuerpos de electrodos permeables.

11. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además un soporte al que se fijan los cuerpos permeables del primer electrodo en una cavidad de un soporte de ánodo, el medio iónicamente conductor está en la cavidad y el segundo electrodo evita que el medio iónicamente conductor fluya a través del mismo.

12. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el segundo electrodo es un electrodo de aire reducir el oxígeno durante la descarga.

13. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 12, en donde el primer electrodo tiene el combustible electrodepositado sobre el mismo y el combustible es un metal para la oxidación durante la descarga.

14. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el metal se selecciona del grupo que 50 consiste de zinc, hierro, aluminio y magnesio.

15. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 13, en donde una entrada y una salida se comunican con la cavidad para permitir que el medio iónicamente conductor fluya a través de la misma.

17. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la solución acuosa es alcalina.

18. Una celda electroquímica de acuerdo con las reivindicaciones 10 o 13, en donde el electrodo de carga está separado del segundo electrodo.

19. Una celda electroquímica de acuerdo con las reivindicaciones 10 o 13, en donde el electrodo de carga es el segundo 5 electrodo.

16. Una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el medio iónicamente conductor es una solución acuosa.

20. Una celda electroquímica de acuerdo con las reivindicación 10 o 13, en donde los cuerpos de electrodos están acoplados en paralelo uno con otro y a la carga, y en donde al menos un aislante de corriente está conectado entre el cuerpo de electrodos terminal y los otros cuerpos de electrodo y la carga,

en donde dicho al menos un aislante de corriente previene la conducción de corriente eléctrica aplicada al cuerpo de electrodos terminal durante la carga a otros cuerpos de electrodos, y en donde dicho al menos un aislante de corriente permite la conducción de la corriente eléctrica desde el cuerpo de electrodos terminal a la carga cuando se usa la celda electroquímica.

21. Una celda electroquímica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10, 13 o 18, que comprende además separadores inertes no conductores para mantener la separación y el aislamiento eléctrico entre los cuerpos de electrodo permeables.