Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo del almacenamiento de energía eléctrica y proporciona una solución para el desarrollo de nuevos dispositivos basados en electrodos de pasta fundamentados en una dispersión de micro/nanopartículas que generan una red conductora de electricidad altamente eficiente al estar bajo presión, que proporciona alta potencia, gran número de ciclos de vida, y alta densidad de energía.

Estado de la técnica

Las baterías actuales tienen grandes problemas relacionados con la potencia, lo cual es debido a que se basan en un mecanismo electroiónico. Esto significa que los iones y electrones deben transferirse simultáneamente de un electrodo a otro para almacenar o entregar energía. Como consecuencia, el transporte de electrones se retrasa por la difusión de iones necesaria para la electroneutralidad, por lo que las baterías no pueden proporcionar alta potencia.

Por otro lado, los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica con mayor potencia que las baterías, esto se debe a que el mecanismo de almacenamiento se encuentra justo en la superficie del electrodo mediante la formación de una doble capa eléctrica. No hay difusión de iones a través del electrolito y el material activo como en las baterías. Sin embargo, debido al hecho de que la carga se almacena en la superficie del electrodo, la densidad de energía de los supercondensadores es menor que en las baterías.

El número de ciclos de vida es otro problema para las baterías, los supercondensadores pueden alcanzar fácilmente los 10 ⁴ -10 ⁵ ciclos, pero el límite actual de las baterías es de alrededor de 10 ³ ciclos. Las reacciones espurias y los cambios de fase en los materiales activos son la razón principal del menor ciclo de vida de las baterías en comparación con los supercondensadores, que simplemente almacenan carga a través de un mecanismo electrostático “simple” en la superficie de los electrodos que produce un desgaste mínimo. Los materiales de electrodos híbridos combinan componentes que actúan como supercondensadores y materiales de batería. Estos pueden ser fases extendidas, grupos, moléculas o iones que pueden oxidarse y reducirse a la inversa. Los materiales híbridos brindan una solución para mejorar la densidad energética, la potencia y los ciclos de vida de forma simultánea gracias a la contribución positiva de la combinación de mecanismos capacitivos y redox.

Por otra parte, la preparación del electrodo tiene un impacto crítico sobre el rendimiento de las baterías, aunque también es muy importante para los supercondensadores. Los electrodos se basan generalmente en un colector de corriente metálico (Cu o Al) sobre el cual se deposita un revestimiento de una mezcla del material activo, un aditivo conductor y un aglutinante. Cuanto más delgado sea el recubrimiento, mejor potencia, ciclos de vida y densidad de energía (por gramos de recubrimiento). Debido a esto los recubrimientos utilizados en las baterías actuales son muy finos, por debajo de 100 pm. Los electrodos más gruesos conducen a un rendimiento deficiente, especialmente en potencia y ciclos de vida. Al considerar el diseño óptimo de un dispositivo completo, los electrodos delgados son un inconveniente importante porque implican el uso de una gran masa y volumen de colectores de corriente y, por lo tanto, solo una parte relativamente pequeña del volumen total de baterías o supercondensadores se utiliza para almacenar energía.

Los electrodos de pasta conductora de electricidad podrían ayudar a reducir ese problema y, además, podrían ahorrar la energía y el tiempo necesarios para depositar y secar el recubrimiento de los electrodos sólidos, haciendo que la fabricación de electrodos sea más fácil, rápida y barata.

Por lo tanto, electrodos más gruesos (de pasta) con buen rendimiento serían una solución real para mejorar la densidad de energía de los dispositivos de almacenamiento de energía actuales aumentando sustancialmente la cantidad de material activo por volumen de dispositivo.

Breve descripción de la invención

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica que incluye al menos: dos electrodos, uno es un ánodo y el otro es un cátodo, donde los electrodos se basan en una mezcla de un electrolito con aditivos conductores y micro/nanopartículas de carbono dispersas que actúan como: red de conductividad eléctrica de alta eficiencia y como material electroactivo tipo supercondensador. Se añaden elementos activos redox nanométñcos a las partículas de carbono para obtener un material híbrido con rendimiento electroquímico híbrido.

El dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica según la presente invención podría caracterizarse además porque el electrolito se selecciona del grupo que consiste en un electrolito orgánico, que comprende una mezcla de disolventes orgánicos miscibles, o una solución acuosa de alta concentración de sal.

El dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica según la presente invención también podría caracterizarse porque el electrolito es una mezcla de disolventes orgánicos miscibles que comprenden al menos un disolvente con una constante dieléctrica alta y al menos un disolvente con baja viscosidad.

El dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención podría caracterizarse porque las micro / nanopartículas de carbono se seleccionan del grupo que consiste en grafito, carbón activado, grafeno, grafeno multicapa, óxido de grafeno reducido, óxido de grafeno, nanotubos de carbono de pared simple, nanotubos de carbono de paredes múltiples, fullerenos, ketjen black, carbon black super p o mezclas de los mismos.

Además, el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica según la presente invención podría caracterizarse porque los elementos activos redox de tamaño nanométrico se seleccionan del grupo que consiste en iones electroactivos, moléculas electroactivas, grupos metalorgánicos, nanopartículas de materiales para electrodos de batería o mezclas de los mismos.

La presente invención también describe un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica caracterizado además por al menos una unidad de almacenamiento de energía eléctrica que comprende dos electrodos de pasta, uno actuando como ánodo y el otro actuando como cátodo, y una estructura interna compuesta por un primer colector de corriente, seguido de un primer anillo de goma, un separador, un segundo anillo de goma y un segundo colector de corriente, en el que el ánodo está confinado dentro del volumen interior definido por el primer anillo de goma, y el cátodo está confinado en el volumen interior definido por el segundo anillo de goma , y donde ambos colectores de corriente tienen un espesor en el rango de 1 pm a 500 pm y están hechos de un material altamente resistente a la corrosión. Ambos anillos de goma son flexibles y deformables, son químicamente resistentes a la degradación por los electrodos de pasta, tienen un grosor de 250 pm a 2500 m y un ancho de 1 mm a 10 mm, y confinan ambos electrodos de pasta en sus volúmenes internos, sellando la unidad de almacenamiento de energía eléctrica para evitar que la pasta se escape a cualquier presión; y el espesor de ambos, ánodo y cátodo, es menor o igual que el espesor de los anillos de goma.

En una realización adicional, el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica según la presente invención se caracteriza porque el material de los colectores de corriente se selecciona, entre otros, entre metales y materiales de carbono.

El dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica según la presente invención podría caracterizarse además porque al menos una unidad de almacenamiento de energía eléctrica está apilada en un solo cuerpo, en el que la presión aplicada por este cuerpo externo a los electrodos de pasta es de hasta 10000 kPa y se mantiene constante gracias a los anillos de goma flexibles y deformables; los colectores de corriente del cátodo están conectados eléctricamente en paralelo a través de la pieza de conexión; y los colectores de corriente del ánodo están conectados eléctricamente en paralelo a través de la pieza de conexión.

En una realización adicional, el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica según la presente invención comprende además una válvula para mantener el nivel de presión deseado dentro del sistema en cualquier momento.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 es una ilustración esquemática de una pasta activa y su capacidad de percolación eléctrica en uno de los lados de la celda electromecánica sin aplicar presión, en la que (1.1) representa un separador, (1.2) un electrolito, (1.3) un colector de corriente y (1.4) una partícula de carbono.

La figura 2 es una ilustración esquemática, en la que (2.1) representa un separador, (2.2) un electrolito, (2.3) un colector de corriente y (2.4) una partícula de carbono, de una pasta activa y su capacidad de percolación eléctrica en uno de los lados de la celda electromecánica cuando se aplica presión.

La figura 3A es una ilustración esquemática de la capacidad de los contraiones (3.5) en el electrolito (3.2) para alcanzar todo el material activo en el colector de corriente (3.3) en un electrodo de pasta de acuerdo con la presente invención. La figura 3b ¡lustra un electrodo sólido clásico (4.3). La figura 4 es una ilustración esquemática de la transferencia de electrones reversible a través de las partículas de carbón activo de la pasta (4.4) a los elementos activos redox de tamaño nanométñco (4.6) añadidos a las partículas de carbón (4.4) y al colector de corriente (4.3).

La figura 5 es una vista isométñca de la unidad de almacenamiento de energía eléctrica de acuerdo con la invención.

La figura 6 ¡lustra la vista en planta y dos vistas de dos secciones de la unidad de almacenamiento de energía eléctrica donde se muestran todos sus componentes: colector de corriente del ánodo (6.1a), anillo de goma del ánodo (6.2a), pasta híbrida del ánodo (6.3a), separador (6.4), pasta híbrida del cátodo (6.3b), anillo de goma del cátodo (6.2b) y colector de corriente del cátodo (6.1 b).

La figura 7 muestra una vista explosionada de la unidad de almacenamiento de energía eléctrica con la siguiente estructura: colector de corriente del ánodo (7.1a), anillo de goma del ánodo (7.2a), pasta híbrida del ánodo (7.3a), separador (7.4), pasta híbrida del cátodo (7.3b), anillo de goma del cátodo (7.2b) y colector de corriente del cátodo (7.1b).

La figura 8 es una vista de la sección de un apilamiento de unidades de almacenamiento de energía eléctrica. Esta figura muestra que un número variable de unidades de almacenamiento de energía eléctrica (8. Un, donde n es al menos uno) pueden apilarse para cumplir con los requisitos eléctricos del dispositivo.

La figura 9a ¡lustra una vista de la sección de un apilamiento de unidades de almacenamiento de energía eléctrica instaladas dentro de la caja del dispositivo (9.1) sin la tapa.

La figura 9b ¡lustra una vista de la sección de un apilamiento de unidades de almacenamiento de energía eléctrica instaladas dentro de la caja del dispositivo (9.1) después de cerrar la tapa (9.2).

La figura 10 muestra la distribución de la presión sobre la pasta dentro del dispositivo una vez que la caja está cerrada, incluida la presión aplicada por los anillos de goma cuando se comprimen.

Las figuras 11 a y 11 b junto con sus vistas detalladas muestran cómo se deforma el anillo de goma bajo la presión aplicada por la tapa cuando se cierra el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica. La figura 12a muestra el diseño de la pestaña para los colectores de corriente del ánodo (12. An, donde n es al menos uno) y cómo están conectados a través de la pieza de conexión 12.Q1.

La figura 12b muestra el diseño de la pestaña para los colectores de corriente del cátodo (12.Cn, donde n es al menos uno) y cómo están conectados a través de la pieza de conexión 12.Q2.

Descripción detallada de la invención

La presente invención describe un nuevo concepto de dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica basado en dos características: electrodos gruesos de pasta y materiales electroactivos híbridos, que permitirán aumentar la densidad de energía, la potencia y los ciclos de vida de los dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica.

Los electrodos gruesos permiten una mejora notable en la cantidad de material activo por volumen del dispositivo y, por lo tanto, un aumento de su densidad de energía. Sin embargo, los electrodos sólidos pierden rendimiento cuando aumenta el grosor porque hay una mayor distancia que los iones viajan a través del material activo sólido, lo que implica baja potencia, baja densidad de energía y menor número de ciclos de vida en comparación con un electrodo más delgado. En esta invención se propone el uso de electrodos gruesos de pasta basados en una dispersión de aditivos conductores y micro/nanopartículas de carbono que actúan tanto como: red de conductividad eléctrica de alta eficiencia y como material electroactivo tipo supercondensador en lugar del recubrimiento sólido y delgado utilizado en la actualidad en dispositivos comerciales.

Debido a que el material activo se dispersa en el electrolito, la invención aquí descrita se puede utilizar como electrodos "gruesos". Estos electrodos gruesos de pasta pueden proporcionar un buen rendimiento incluso con un espesor de 2 mm o más. Esto es posible debido a que los iones del electrolito pueden alcanzar fácilmente todas las partículas de material activo dispersas en él, por lo que los iones no deben difundirse a grandes distancias a través de un sólido como ocurre en los electrodos sólidos gruesos.

Las micro y nanopartículas de carbono son el principal componente sólido de las pastas presentadas, forman la columna vertebral de las pastas descritas. Desempeñan dos funciones: actuar como material conductor electrónico y como material electroactivo. En primer lugar, proporcionan un efecto de percolación que permite un flujo rápido y eficaz de electrones desde el colector de corriente a través de todas las partículas dispersas proporcionando una conductividad eléctrica altamente eficiente a través de toda la pasta. En segundo lugar, actúan como un supercondensador que proporciona alta potencia y una mayor vida útil del dispositivo. Cabe señalar que ser necesita presión para alcanzar la percolación óptima (por lo tanto, el mejor rendimiento) entre las partículas dispersas en la pasta.

Además de lo anterior, elementos redox activos nanométñcos se agregan/incrustan a las pastas con el fin de generar los materiales híbridos con una capacidad mejorada que los materiales capacitivos puros que conforman la columna vertebral del electrodo de pasta presentado. Se combinan/adsorben dentro de la columna vertebral de micro y nanopartículas de carbono. Tal combinación de elementos redox activos podría ser en forma de adsorción, absorción, aleación y/o intercalados. Los elementos redox activos pueden ser iones, moléculas, cúmulos atómicos o nanopartículas, pero nada más grandes que ellos para mantener la alta potencia y el ciclo de vida proporcionado por la columna vertebral del carbono mientras estos aumentan la densidad de energía mediante sus procesos redox. Las limitaciones en la energía y el ciclo de vida de las baterías actuales aparecerían en las pastas si se agregan partículas más grandes de un material activo redox sólido.

Resumiendo, las características funcionales de los electrodos de pasta según la presente invención son las siguientes:

• Las pastas se basan en micro/nanopartículas de carbono electroactivo y eléctricamente conductor que actúa como supercondensador, proporcionando alta potencia y ciclos de vida. Al mismo tiempo, bajo presión, proporcionan una conductividad eléctrica de alta eficiencia a través de todas las partículas.

• Se añaden elementos electroactivos redox a los materiales de carbono elegidos para aumentar la densidad energética del sistema. Estos elementos redox deben ser pequeños y distribuidos homogéneamente en el material de carbono para mantener el mecanismo de supercondensador del carbono como el mecanismo de carga principal, así como la alta potencia y el alto número de ciclos de vida en la pasta. En otras palabras, los elementos electroactivos redox son aditivos sobre los materiales de carbono que permiten incrementar la carga del sistema. Como no son partículas grandes y voluminosas, son capaces de transferir carga con alta potencia y no sufren problemas de los cambios de fase, aumentando así su ciclo de vida. • Dado que la invención descrita se puede utilizar como electrodos de un espesor de 1 o 2 mm, la densidad de energía de un dispositivo basado en estas nanopastas funcionales alcanza el mismo orden de magnitud que el de las baterías comerciales actuales, pero aumenta la potencia y el número de ciclos de vida.

El electrolito de las pastas descritas puede basarse en soluciones acuosas o en una mezcla de disolventes orgánicos:

Los electrolitos acuosos de la presente invención deberían tener una concentración de sal notablemente alta, preferiblemente superior a 5M. Debido a esta alta concentración de sal, se pueden aplicar voltajes superiores a 1 ,2 V (límite de voltaje de división de agua), siendo plausible aplicar hasta 4 V.

Los electrolitos orgánicos suelen tener mayor resistencia que los electrolitos acuosos por vahas razones: menor constante dieléctrica del disolvente, menor movilidad iónica de los iones y mayor viscosidad respecto al agua. Aquí se describe una mezcla de disolventes orgánicos que resuelve este problema. Los electrolitos orgánicos según la presente invención se basan en un disolvente de alta constante dieléctrica, como N-metilformamida (NMF), y un disolvente de baja viscosidad, como acetonithlo (MeCN). Preferiblemente, el disolvente de baja viscosidad es el componente principal de la mezcla de disolventes.

Los electrodos de pasta presentados deben estar bajo presión con una distribución homogénea bajo los colectores de corriente para obtener una percolación eléctrica adecuada entre las partículas de carbono y proporcionar el mejor rendimiento. Para cumplir estos requisitos, se describen un nuevo tipo de unidad de almacenamiento de energía y un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica capaz de mantener la pasta bajo presión.

El dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica está compuesto por un apilamiento de unidades de almacenamiento de energía eléctrica conectadas eléctricamente en paralelo a través de la pieza Q o un circuito eléctrico externo (como se muestra en las figuras 12a, 12b).

La carcasa de este dispositivo está fabricada con materiales eléctricamente no conductores, como algunos plásticos y polímeros, y / o materiales conductores como metales y fibra de carbono / vidrio. El material puede tener o no buenas propiedades de apantallamiento. Además, esta carcasa puede tener opcionalmente refuerzos metálicos, tensores externos, o cualquier otro sistema para garantizar que se mantenga la presión deseada en toda la pasta híbrida dentro del dispositivo. Los anillos de goma también ayudan a alcanzar la presión deseada sobre la pasta y la mantienen constante cuando esos anillos se deforman bajo la carga aplicada por la carcasa. La caja tiene salidas para permitir la conexión de los circuitos eléctricos internos del dispositivo a un circuito eléctrico externo. Un sistema de cierre sella el dispositivo para evitar fugas en ambos sentidos. El dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica puede incluir opcionalmente una válvula para mantener el nivel de presión deseada dentro del sistema en cualquier momento.

Cada unidad de almacenamiento de energía eléctrica está compuesto por un colector de corriente seguido de dos anillos de goma o elastómero separados por un separador, seguido de otro colector de corriente que opcionalmente puede tener la misma geometría y características que el anterior. Los electrodos de pasta descritos anteriormente están contenidos dentro de los volúmenes internos definidos por los anillos de goma, los colectores de corriente y el separador, y pueden comportarse como ánodo o cátodo dependiendo de su posición dentro de la unidad de almacenamiento de energía eléctrica.

Los colectores de corriente pueden ser láminas con un espesor en el rango de 1 pm a 500 pm. Los materiales que se pueden utilizar son materiales con alta resistencia a la corrosión, en particular a la corrosión que puede ser provocada por la exposición directa de algunos de los componentes al electrolito de los electrodos de pasta descritos anteriormente. Esos materiales incluyen una variedad de materiales que comprenden materiales basados en carbono, que incluyen, entre otros, tela de fibra de carbono, papel de carbono, grafeno, nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, carbono duro, carbono poroso; y una amplia gama de materiales metálicos como acero inoxidable, platino, oro, plata, tungsteno y cobre entre otros.

Los colectores de corriente asociados a esas pastas que se comportan como ánodo están conectados eléctricamente en paralelo a través de la pieza de conexión 12.Q1 (figura 12) a un circuito eléctrico externo; y están aislados eléctricamente de los de los cátodos al mismo tiempo para evitar un cortocircuito. Los colectores de corriente asociados a las pastas que se comportan como cátodo siguen esa misma estructura, y se conectan eléctricamente en paralelo a través de la pieza de conexión 12. Q2 (figura 12).

Las piezas de conexión 12. Q1 y 12. Q2 pueden tener un espesor comprendido entre 1 pm y 1000 pm. El material puede ser seleccionado de entre una variedad de materiales que comprenden materiales metálicos, desde acero inoxidable, platino, oro, plata, tungsteno hasta cobre, así como materiales a base de carbono, que incluyen, entre otros, tela de fibra de carbono, papel de carbono, grafeno, nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, carbono duro, carbono poroso.

Los anillos de goma que contienen los electrodos de pasta tienen un grosor en el rango de 250 pm a 2500 pm, y un ancho en el rango de 1 mm a 10 mm. Los materiales utilizados para su fabricación son materiales flexibles, deformables y comprimibles, capaces de resistir la posible corrosión por parte de los electrodos de pasta. Entre ellos se incluyen materiales elásticos con alta resistencia química como el caucho.

El separador que aísla y evita el cortocircuito entre los electrodos de pasta dentro de cada unidad de almacenamiento de energía eléctrica es una membrana permeable a los iones. En el montaje de la unidad de almacenamiento de energía eléctrica, los anillos de goma sujetan el separador, asegurando su posición y aislándolo del ambiente, evitando así la pérdida por capilaridad y evaporación de parte del electrolito de los electrodos de pasta y cualquier otro tipo de fuga al aplicar presión sobre ellos.