Condensador electroquímico con dos electrodos de carbono de naturaleza diferente en medio acuoso.

Condensador electroquímico (1) que comprende un primer electrodo (2) y un segundo electrodo (3) quecomprenden cada uno carbono y un electrolito acuoso (4) situado en la interfaz de los dos electrodos,

caracterizadoporque la superficie del carbono del primer electrodo (2) presenta un índice atómico de funcionalización multiplicadopor un factor igual a por lo menos 2 con respecto al índice atómico de funcionalización de la superficie del carbonodel segundo electrodo (3).

Condensador electroquímico con dos electrodos de carbono de naturaleza diferente en medio acuoso.

La presente invención se refiere a un condensador electroquímico que comprende dos electrodos de carbono y un electrolito acuoso situado en la interfaz de los dos electrodos, así como a un procedimiento de fabricación del condensador.

Un condensador electroquímico es en la presente memoria un dispositivo que permite almacenar la energía eléctrica que procede de la separación de especies cargadas y/o de reacciones de oxidorreducción.

Es conocido utilizar unos condensadores electroquímicos de doble capa en los que las especies cargadas se separan en la interfaz electrodo/electrolito. La energía eléctrica se almacena así en forma electroestática por separación de cargas.

Así, la patente US nº 2.800.616 describe un condensador que comprende dos electrodos idénticos de carbono poroso y un electrolito inorgánico acuoso tal como una disolución de cloruro de amonio (NH4Cl) o una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) .

También es conocido utilizar unos condensadores de doble capa que comprenden unos electrodos de carbono activado. Así, la patente US nº 3.288.641 describe un condensador de doble capa que comprende dos electrodos de carbono activado tratado mediante unos metales o unos halogenuros metálicos. La patente US n2 4.313.084 da a conocer dos electrodos que comprenden una misma pasta formada por carbono activado mezclado con ácido sulfúrico. Por último, la patente US nº 4.562.511 describe un condensador del cual un electrodo es un carbono activado y el otro electrodo está constituido por metal conductor

El documento US-A-4.251.568 describe un elemento de almacenamiento de energía que comprende unos electrodos a base de carbono tratados con el ácido nítrico.

El electrolito empleado en este tipo de condensador es acuoso u orgánico. El electrolito acuoso conduce a una densidad de energía bastante baja ya que la tensión de funcionamiento máxima es de aproximadamente 0, 6 a 0, 7 V.

En efecto, la densidad de energía (E) es proporcional a la capacitancia (C) y al cuadrado de la tensión de funcionamiento (U) como lo muestra la fórmula general siguiente:

La tensión de funcionamiento máxima con un electrolito de tipo orgánico es en general aproximadamente 2, 3 a 2, 4 V. Así, se prefieren habitualmente los electrolitos orgánicos para obtener una mejor densidad de energía.

La potencia suministrada (P) por el condensador es proporcional al cuadrado de la tensión (U) pero inversamente proporcional a la resistencia serie (Rs) , como lo muestra la fórmula siguiente:

La resistencia serie (Rs) corresponde a la suma de todas las resistencias impuestas por los elementos que constituyen el condensador, de los cuales en particular, el electrolito. Ahora bien, los electrolitos acuosos tienen una conductividad más elevada que la de los electrolitos orgánicos. A título de ejemplo, la conductividad de una disolución 1M de H2SO4 es de aproximadamente 0, 02 s.cm-1, y la de una disolución orgánica de aproximadamente 1 s.cm-1. La contribución de la resistencia serie implica por lo tanto una potencia suministrada en general más importante en presencia de electrolito acuoso que en presencia del electrolito orgánico.

En consecuencia, los condensadores electroquímicos no presentan al mismo tiempo una potencia suministrada importante y una densidad de energía importante.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un condensador electroquímico de capacidad y de tensión de funcionamiento elevadas en medio acuoso, generando así una densidad de energía y una potencia suministrada más importantes.

Para ello, según un primer aspecto, la invención tiene por objeto un condensador electroquímico que comprende un primer electrodo y un segundo electrodo que comprenden cada uno carbono y un electrolito acuoso situado en la interfaz de los dos electrodos, caracterizado porque la superficie del carbono del primer electrodo presenta un índice atómico de funcionalización multiplicado por un factor igual a por lo menos 2 con respecto al índice atómico de funcionalización de la superficie del carbono del segundo electrodo.

Una superficie de carbono se denomina “funcionalizada” cuando esta superficie presenta unos heteroátomos unidos a uno o varios átomos de carbono. Los heteroátomos son en la presente memoria unos átomos que pertenecen a la familia de los calcógenos o pnictógenos, en particular O, N, S o P. Según un modo de realización preferido, la superficie del carbono está funcionalizada por unas funciones oxigenadas, nitrogenadas, azufradas y/o fosforadas.

El índice atómico de funcionalización está determinado en la presente memoria por la suma de los índices atómicos de los heteroátomos unidos a uno o varios átomos de carbono y presentes en la superficie del carbono.

Según un modo de realización preferido, la superficie del carbono del primer electrodo comprende por lo menos dos veces más funciones oxigenadas que la superficie del carbono del segundo electrodo. Una función oxigenada corresponde en la presente memoria a un átomo de oxígeno unido a un enlace simple con uno o dos átomos de carbono, que forma por ejemplo unas funciones fenólicas o eteradas, en un enlace doble con un átomo de carbono que forma por ejemplo unas funciones quinónicas, o al mismo tiempo en unos enlaces dobles y simples que forman por ejemplo unas funciones carboxílicas o lactónicas.

Preferentemente, la masa en carbonos de los dos electrodos es sustancialmente idéntica.

En funcionamiento, el condensador está unido o bien a una fuente de corriente, que permite la carga del condensador, o bien a un sistema al que debe distribuir las cargas almacenadas, que permite la descarga del condensador.

Durante la carga, el primer electrodo que comprende un índice atómico de funcionalización más importante está conectado entonces al borne positivo de la fuente de corriente y este electrodo se denomina por lo tanto “electrodo positivo”. El segundo electrodo está conectado al borne negativo y se denomina “electrodo negativo”. Durante la descarga, el condensador está conectado al sistema alimentado al que distribuye una corriente eléctrica.

En primer lugar, el condensador según la invención presenta una mayor capacidad que la de los condensadores simétricos que comprenden dos electrodos idénticos de carbono.

En efecto, se producen dos fenómenos de naturaleza diferente a nivel de cada electrodo durante el funcionamiento en carga y/o en descarga del condensador que permite aumentar la capacidad del condensador según la invención. La capacidad del condensador está así comprendida entre 180 y 320 F.g-1 (gramo de material carbonado de los electrodos) .

Durante la carga, los iones presentes en el electrolito están fijados de manera electroestática a la superficie de cada electrodo como es el caso de los condensadores simétricos de doble capa. Sin embargo, se produce otro fenómeno además de este fenómeno electroestático. En efecto, los dos electrodos están también implicados en unas reacciones pseudo-farádicas de naturaleza diferente. Esta contribución se conoce bajo el nombre de pseudocapacidad. Las reacciones pseudo-farádicas se producen en intervalos de potenciales diferentes. A título de ejemplo, durante la carga a pH = 0, las reacciones de oxidorreducción se producen a nivel del segundo electrodo a aproximadamente -0, 9 V vs Hg/Hg2SO4 mientras que a nivel del primer electrodo, se producen a aproximadamente -0, 1 V vs Hg/Hg2SO4. A título de ejemplo, las reacciones de oxidorreducción que se desarrollan a nivel del polo positivo del condensador son susceptibles de hacer intervenir los pares quinona/hidroquinona para las funciones oxigenadas y los pares de funciones C=NH/CH-NH2 y C-NHOH/C-NH2 para las funciones nitrogenadas, mientras que a nivel del polo negativo, las reacciones de oxidorreducción hacen intervenir la descomposición del agua y la sorción del hidrógeno que nace en el carbono.

Durante la descarga, las reacciones de oxidorreducción que se producen son las reacciones inversas de las que se desarrollan durante la carga.

En segundo lugar, la tensión de funcionamiento del condensador electroquímico según la invención es superior a la del condensador simétrico. En efecto, el índice atómico de funcionalización mayor de la superficie del carbono sobre el primer electrodo permite alcanzar unos potenciales positivos más importantes, en particular superiores a aproximadamente -0, 6 V vs Hg/Hg2SO4, durante la carga. El potencial del segundo electrodo alcanza, por ejemplo, hasta -1, 2 V vs Hg/Hg2SO4 sin liberación... [Seguir leyendo]

1. Condensador electroquímico (1) que comprende un primer electrodo (2) y un segundo electrodo (3) que comprenden cada uno carbono y un electrolito acuoso (4) situado en la interfaz de los dos electrodos, caracterizado porque la superficie del carbono del primer electrodo (2) presenta un índice atómico de funcionalización multiplicado por un factor igual a por lo menos 2 con respecto al índice atómico de funcionalización de la superficie del carbono del segundo electrodo (3) .

2. Condensador electroquímico según la reivindicación 1, caracterizado porque la superficie del carbono está funcionalizada por unas funciones oxigenadas, nitrogenadas, azufradas y/o fosforadas.

3. Condensador electroquímico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer electrodo (2) y/o el segundo electrodo (3) comprenden carbono activado.

4. Condensador electroquímico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el volumen en masa de los microporos de diámetro inferior o igual a 0, 7 nm del carbono del segundo electrodo (3) es superior al del carbono del primer electrodo (2) .

5. Condensador electroquímico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el volumen en masa de los microporos de diámetro inferior o igual a 0, 7 nm está comprendido entre 0, 1 cm3.g-1 y 1, 2 cm3.g-1 para el carbono del segundo electrodo (3) .

6. Condensador electroquímico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el volumen en masa de los microporos de diámetro inferior o igual a 0, 7 nm está comprendido entre 0, 1 cm3.g-1 y 1, 2 cm3.g-1 para el carbono del primer electrodo (2) .

7. Condensador electroquímico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además un separador (5) dispuesto en el electrolito (4) entre el primer (2) y el segundo (3) electrodos.

8. Condensador electroquímico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el electrolito acuoso es una disolución acuosa que comprende ácido sulfúrico.

9. Procedimiento de fabricación de un condensador electroquímico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una etapa en la que el carbono del primer electrodo (2) es oxidado por una disolución ácida.

10. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque el carbono está activado.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 o 10, caracterizado porque la disolución ácida es una disolución acuosa de ácido nítrico.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque comprende además una etapa en la que el carbono del segundo electrodo (3) sufre un tratamiento oxidante diferente del tratamiento aplicado al carbono del primer electrodo (2) .

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque comprende una etapa en la que el carbono del segundo electrodo (3) sufre un tratamiento reductor.

14. Sistema electrónico portátil, caracterizado porque comprende uno o varios condensadores (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, u obtenido (s) según el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13.

15. Automóvil, caracterizado porque comprende uno o varios condensadores (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, u obtenido (s) según el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13.

16. Sistema de transporte ferroviario, caracterizado porque comprende uno o varios condensadores (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, u obtenido (s) según el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13.

17. Avión, caracterizado porque comprende uno o varios condensadores (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, u obtenido (s) según el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13.

18. Sistema estacionario, caracterizado porque comprende uno o varios condensadores (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 u obtenido (s) según el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13.

19. Circuito eléctrico que comprende por lo menos un condensador (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 u obtenido (s) según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 y una fuente de corriente (6) conectada a los bornes

del condensador de manera que el primer electrodo (2) está conectado al borne positivo de la fuente (6) y el segundo electrodo (3) está conectado al borne negativo.