BATERÍAS DE CERIO.

Una batería que tiene un electrolito ácido acuoso que incluye un par redox que comprende un primer elemento y un segundo elemento,

en el que el primer elemento es cerio, en el que el electrolito ácido acuoso comprende un ácido orgánico que es capaz de disolver el carbonato de cerio en una concentración de al menos 0,1 M y en el que la reducción del cerio y la oxidación del segundo elemento proporciona la corriente producida por la batería

Campo de la invención

El campo de la invención pertenece en general a las baterías y otros tipos de pilas eléctricas.

Antecedentes de la invención

Se conocen muchos tipos de baterías y otras pilas eléctricas, basadas en el relativamente amplio intervalo de pares eléctricos. Entre los pares eléctricos más populares están aquellos que contienen cinc. El cinc se considera como el componente del par energético más alto que se puede reciclar en una pila acuosa a temperatura ambiente y por lo tanto se usa comúnmente en numerosas aplicaciones de baterías y pilas eléctricas. Dependiendo del tipo de par asociado, tales baterías que contienen cinc pueden mostrar varias propiedades características.

Por ejemplo, el cinc se empareja con carbón en las baterías más simples para luz de flash para proporcionar una fuente de energía relativamente barata y fiable. Aunque la fabricación de baterías Zn/C es generalmente simple y representa solo un impacto medioambiental relativamente pequeño, existen varias desventajas en las baterías de Zn/C. Entre otras cosas, la relación de peso a potencia en las baterías de Zn/C comúnmente utilizadas es relativamente pobre. Para mejorar la relación peso a potencia, se pueden emplear socios en el par y sistemas alternativos. Por ejemplo, el cinc se puede emparejar con óxido de mercurio o de plata para obtener una relación peso a potencia mejorada. Sin embargo, la toxicidad del óxido de mercurio es problemática a menudo durante la fabricación y tiende a convertirse incluso en más problemática cuando se desechan tales baterías. Por otro lado, aunque la plata como socio en el emparejamiento con cinc es sustancialmente neutra medioambientalmente y mejora significativamente la relación peso a potencia, el uso de la plata es en muchos casos económicamente prohibitivo.

En otras baterías y pilas eléctricas aún más conocidas, el cinc se empareja con otros metales más tales como el níquel, cobre o manganeso para proporcionar unas características específicas deseadas. Sin embargo, y dependiendo del metal particular, pueden surgir nuevas desventajas que incluyen particularmente problemas medioambientales con la fabricación y/o desechado, relación peso a potencia relativamente baja y una no deseable baja tensión en circuito abierto.

Adicionalmente, se pueden emplear halógenos como un socio de emparejamiento para el cinc, y las parejas cinc-halógeno más comunes incluyen cinc-bromuro y cinc-cloruro (por ejemplo, para baterías de equilibrado de cargas). Sin embargo, frecuentemente tales configuraciones de baterías son difíciles de integrar en dispositivos portátiles o miniaturizados. Más aún, tales configuraciones de baterías requieren típicamente sistemas de bombeo y a menudo son propensas a fugas conduciendo a significativos problemas debido a la naturaleza altamente corrosiva de los halógenos.

Alternativamente, se puede emplear oxígeno como un par gaseoso en el emparejamiento para el cinc, evitando en general de ese modo los problemas asociados con la toxicidad, coste excesivo o fugas de los socios de emparejamiento. Entre las varias ventajas de esta configuración, el uso de aire (es decir, oxígeno) como socio en el emparejamiento con el cinc da como resultado típicamente una relación peso a potencia relativamente alta. Además, el sistema cinc-oxígeno, proporciona típicamente una curva de descarga relativamente plana. Sin embargo, la vida de almacenamiento razonable de tales baterías a menudo sólo se puede conseguir mediante el uso de un sellado estanco al aire. Adicionalmente, para proporcionar un funcionamiento continuo, el aire debe tener una trayectoria sin obstrucción a través de la batería hasta el cátodo de modo que el oxígeno del aire esté disponible para descargas en el cátodo. Más aún, las aplicaciones comerciales de las baterías cinc-aire se han limitado previamente a tipos primarios o no recargables. Se han construido baterías experimentales recargables de cinc-aire para uso en aplicaciones de automoción y típicamente usan un electrolito líquido que se recircula por medio de una bomba. Sin embargo, a menudo tales sistemas no son prácticos para aplicaciones de consumo en miniatura en el intervalo de radios a ordenadores portátiles debido a su complejidad mecánica y su falta de resistencia frente a fugas.

Frecuentemente surge un problema adicional con las baterías cinc-aire por el uso de un electrolito alcalino, que se dispone típicamente entre un ánodo de cinc poroso y un cátodo de aire formado por una membrana de carbón. Desafortunadamente, el uso de electrolitos alcalinos en tales electrodos conduce frecuentemente a la absorción de dióxido de carbono y consecuentemente a la formación de carbonatos, que a su vez tienden a reducir la conductividad y obstruir los poros en las superficies activas de los electrodos.

El documento US 4.382.116 describe una celda redox para la oxidación de iones de cromo en iones crómicos y para la reducción de los iones crómicos a iones cromosos. Esta celda redox tiene una primera y una segunda cámaras separadas por una membrana permeable a los iones. Se disponen un electrodo de ánodo y un electrodo de cátodo en dichas primera y segunda cámaras. El fluido del ánodo/cátodo contiene agua como disolvente teniendo disuelta en él una sal de cloro seleccionada de entre una lista de cloruros metálicos.

**(Ver fórmula)**

De ese modo como aunque hay numerosos socios de emparejamiento para el cinc en las baterías y pilas eléctricas conocidas en la técnica, todos o casi todos ellos sufren de una o más desventajas. Por lo tanto, existe aún una necesidad de proporcionar composiciones y métodos para baterías mejoradas.

Sumario de la invención

La presente invención se refiere a una batería que tiene las características que se definen en la reivindicación 1.

La presente invención se dirige en general a una pila eléctrica que tiene un electrolítico que incluye un par redox que comprende un primer elemento y un segundo elemento, en el que el primer elemento es cerio y en el que los segundos elementos preferidos incluyen cinc, titanio, plomo, mercurio, cromo, cadmio y estaño. Las pilas eléctricas especialmente preferidas incluyen un electrolito ácido en el que el cerio y el cinc forman un par redox y tendrán una tensión en circuito abierto de al menos 2,4 V.

De acuerdo con la invención, el electrolítico es un electrolito en ácido acuoso, que comprende un ácido orgánico. Los electrolitos ácidos especialmente preferidos incluyen el ácido metano sulfónico, que puede formar un complejo con el cerio y/o el segundo metal cuando el ácido metano sulfónico se desprotona y cuando el cerio y/o el segundo elemento es una forma catiónica. Los electrolitos contemplados pueden incluir también un agente quelante (por ejemplo, ácido de etilendiamina tetraacético) y/o un compuesto que reduce el sobrepotencial de hidrógeno (por ejemplo, indio, bismuto, estaño, galio, talio, trióxido de diindio, dióxido de dibismuto, óxido de estaño y/o trióxido de digalio).

En un aspecto de la materia objeto de la invención, las pilas eléctricas contempladas pueden comprender una celda con un separador que separa la celda en un compartimento de cátodo y un compartimento de ánodo, en el que el compartimento del cátodo incluye un catolito que incluye el cerio y en el que el compartimento del ánodo comprende un anolito que incluye el segundo elemento. En aspectos contemplados adicionalmente, el compartimento del ánodo comprende al menos el 5% en volumen o al menos el 10% en volumen de catolito en condiciones de funcionamiento normales. Los separadores preferidos comprenden una membrana de electrolito de polímero sólido, típicamente un copolímero de ácido perfluorosulfónico y politetrafluoroetileno (comercialmente disponible con el nombre comercial de NAFION). En un aspecto adicional de la materia objeto de la invención, las pilas eléctricas contempladas comprenden una pluralidad de celdas; y en las que al menos algunas de las celdas incluyen un electrodo bipolar, que se fabrica preferiblemente de carbón vítreo.

Varios objetos, características, aspectos y ventajas de la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas de la invención junto con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1A es una vista esquemática de una batería de ejemplo durante la descarga.

La Figura 1B es una... [Seguir leyendo]

1. Una batería que tiene un electrolito ácido acuoso que incluye un par redox que comprende un primer elemento y un segundo elemento, en el que el primer elemento es cerio, en el que el electrolito ácido acuoso comprende un ácido orgánico que es capaz de disolver el carbonato de cerio en una concentración de al menos 0,1 M y en el que la reducción del cerio y la oxidación del segundo elemento proporciona la corriente producida por la batería.

2. La batería de la reivindicación 1 en la que el segundo elemento se selecciona de entre el grupo que consiste en cinc, titanio, plomo, mercurio, cadmio y estaño.

3. La batería de la reivindicación 2, en la que el cerio está presente en el electrolito en una 10 concentración de al menos 0,2 M.

4. La batería de la reivindicación 1, en la que el ácido orgánico comprende ácido metano sulfónico o ácido trifluorometano sulfónico.

5. La batería de la reivindicación 4, en la que el electrolito comprende además un agente quelante.

6. La batería de la reivindicación 4, en la que el electrolito comprende además un compuesto que 15 reduce la producción de hidrógeno.

7. La batería de la reivindicación 2 que comprende además una celda con un separador que separa la celda en un compartimento de cátodo y un compartimento de ánodo, en la que el compartimento de cátodo incluye un catolito que incluye el cerio y en la que el compartimento del ánodo comprende un anolito que incluye el segundo elemento.

8. La batería de la reivindicación 2 en la que la batería comprende una pluralidad de celdas, y en la que al menos alguna de las celdas incluye un electrodo bipolar.

9. La batería de la reivindicación 1 en la que el segundo elemento se selecciona de entre el grupo que consiste en cinc y titanio.