MX2007016488A - Electrodo y colector de corriente para capacitor electroquimico que tiene doble capa electrica , y capacitor electroquimico de doble capa electrica formado con los mismos. - Google Patents

Abstract

Se describen un electrodo y un capacitor DEL formado con el mismo. El electrodo sera tipicamente un electrodo polarizable que comprenda un material de carbon activado que tenga un porcentaje de ceniza sustancialmente cero y un bajo porcentaje de metales de transicion. Al construir un capacitor DEL empleando el electrodo de la presente invencion, tambien se usa de preferencia un electrodo no polarizable que consiste en un compuesto de dioxido de plomo/sulfato de plomo. El capacitor DEL puede utilizar un electrolito a base de acido, tal como un electrolito de acido sulfurico acuoso. En consecuencia, la presente invencion incluye tambien un colector de corriente que comprende de preferencia un material base que consiste en plomo o un compuesto de plomo y un material de recubrimiento protector que es resistente a un electrolito a base de acido. De preferencia, el material de recubrimiento protector se forma a partir de una base polimerica y un aditivo conductor que puede ser posteriormente aplicado al material base del colector de corriente mediante una variedad de metodos.

Description

ELECTRODO Y COLECTOR DE CORRIENTE PARA CAPACITOR ELECTROQUÍMICO OUE TIENE DOBLE CAPA ELÉCTRICA. Y CAPACITOR ELECTROQUÍMICO DE DOBLE CAPA ELÉCTRICA FORMADO CON LOS MISMOS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un electrodo para usarse en un capacitor electroquímico. Más particularmente, el electrodo de la presente invención es ideal para usarse en un capacitor electroquímico de alta capacidad de almacenamiento de energía, en donde el capacitor tiene una doble capa eléctrica. Estos capacitores son comúnmente conocidos como "ultracapacitores" o "supercapacitores", sin embargo, serán referidos simplemente en la presente como "capacitores".

Existe un interés cada vez más alto en el uso de capacitores como un medio para almacenar energía eléctrica. Estos capacitores pueden almacenar eficientemente y redistribuir una gran cantidad de energía eléctrica. Por motivos de ilustración, y no de limitación, estos capacitores pueden usarse: como una fuente de energía principal en un lugar particular; como una fuente de energía de respaldo en un lugar particular; para asegurar la calidad de la energía (es decir, para compensar las "subidas", "picos" y "brincos" de energía a corto plazo comunes en una fuente de energía eléctrica suministrada por servicios públicos); para proporcionar nivelación de carga al almacenar una cantidad de energía eléctrica provista durante horas no pico y posteriormente redistribuir la energía eléctrica durante periodos de demanda pico y como una fuente de energía primaria y secundaria para una variedad de vehículos.

Un capacitor de doble capa eléctrica (DEL) comprende típicamente un par de electrodos que residen en una relación separada aparte, entre los cuales está un electrolito. El electrolito puede ser ya sea acuoso o no acuoso en naturaleza, dependiendo de la composición de los electrodos. Un separador típicamente reside también en el espacio entre los electrodos. Uno o ambos de los electrodos pueden almacenar energía eléctrica a través de un mecanismo electroquímico de doble capa. En un proceso de almacenamiento de doble capa eléctrica, una capa de electrones se forma en el lado de electrodo de la interfaz electrodo/electrolito. Una capa de iones positivos se forma también sobre el lado de electrolito de la interfaz de electrodo/electrolito. El voltaje a través de la interfaz electrodo/electrolito se incrementa con acumulación de carga, y eventualmente es liberado durante la descarga del capacitor.

Uno o ambos de los electrodos de un capacitor DEL generalmente pueden ser electrodos polarizables. El electrodo polarizable puede comprender, por ejemplo, un material activo y un colector de corriente al cual esté fijado el material activo. El material activo empleado más comúnmente es probablemente uno de una pluralidad de materiales de carbón activado. Los materiales de carbón activado son económicos y tienen una alta área de superficie específica por masa unitaria. Los electrodos se forman típicamente a partir de materiales de carbón activado en forma de un polvo de carbón activado y un aglutinante, o a partir de materiales de fibra de carbono activado tejidos o no tejidos. Sin embargo, la preparación de electrodos DEL a partir de polvo de carbón activado comúnmente es preferible gracias a su costo más bajo.

Como se indicó arriba, en un capacitor típico, uno o ambos de los electrodos pueden ser polarizables. Sin embargo, se ha encontrado que al construir un capacitor DEL con un electrodo polarizable y un electrodo no polarizable proporciona al capacitor DEL una capacidad de energía específica que es mayor que aquella de un capacitor con dos electrodos polarizables. En este capacitor DEL, el almacenamiento de carga en el electrodo no polarizable ocurre como resultado de reacciones de oxidación y reducción en la interfaz del electrodo no polarizable y el electrolito. Este electrodo se dice comúnmente que exhibe un comportamiento pseudocapacitivo faradaico.

Cada uno de los electrodos de este capacitor DEL es típicamente fijado por ciertos medios a un colector de corriente. Los colectores de corriente se construyen comúnmente de un material que exhibe conductividad eléctrica- típicamente un metal. Como al menos una porción del colector de corriente, junto con el material de electrodo, debe residir en el electrolito, se debe asegurar que el material colector de corriente no reaccione adversamente al mismo. Por ejemplo, el electrolito de un capacitor DEL puede consistir en un ácido sulfúrico acuoso. En tal caso, ciertas precauciones tales como, por ejemplo, revestimiento o proteger de otra manera la porción del colector de corriente expuesto al electrolito generalmente deben tomarse a cabo, ya que el electrolito de ácido sulfúrico puede corroer o erosionar el material del colector de corriente.

Aunque varias modalidades de capacitores DEL se conocen actualmente, cada uno tiene típicamente una o más desventajas inherentes.

Por ejemplo, los polvos de carbón activados usados para formar los electrodos de capacitores DEL comunes comúnmente se derivan del procesamiento de materia prima de carbón. Este polvo de carbón activado generalmente exhibirá un alto porcentaje de ceniza (por ejemplo, 15 por ciento en peso o más). Además, estos polvos de carbón activado típicamente contienen también una cantidad inaceptablemente alta de mezclas de metales de transición. Este alto porcentaje de ceniza y gran cantidad de mezcla de metales de transición presentes en el polvo de carbón activado por supuesto eventualmente se volverán una parte de cualquier electrodo formado a partir de los mismos. La presencia de estas impurezas en un electrodo limita el voltaje al cual un capacitor DEL que emplea el electrodo puede ser cargado. Por ejemplo, la presencia de mezclas de metales de transición puede reducir el voltaje de descomposición de un electrolito de ácido y, de esta manera, disminuir el voltaje operativo de un capacitor.

Existen también otras desventajas en los diseños del capacitor DEL conocidos. Por ejemplo, muchos de los materiales de carbón activado empleados para formar los electrodos de estos capacitores requieren la adición de una gran cantidad de material aglutinante. El uso de más material aglutinante da como resultado una reducción correspondiente en una cantidad de material de carbón activado presente en eL electrodo resultante. Una reducción en la cantidad de carbono activado presente en el electrodo, reduce subsecuentemente la capacitancia y capacidad de almacenamiento de energía eléctrica de un capacitor al cual se instala el electrodo. Además, acero y metales similares se usan comúnmente para formar los colectores a de corriente de un capacitor DEL. Desafortunadamente, el acero y muchos metales no son resistentes a un electrolito ácido. Por ejemplo, en presencia de un electrolito de ácido sulfúrico, un colector de corriente de acero se degradará, tal como mediante corrosión. La corrosión de los colectores de corriente puede tener un efecto negativo y la capacidad de ciclos y vida útil de un capacitor. En consecuencia, para reducir o evitar la degradación de estos colectores de corriente, los diseños de capacitor DEL conocidos han empleado un revestimiento protector que es resistente al electrolito usado en el capacitor. El revestimiento protector, dependiendo de su composición, se puede aplicar al colector de corriente mediante una variedad de métodos. Como un ej emplo, un colector de corriente de acero puede utilizar una capa protectora de hoja de grafito. Aunque ciertos de estos materiales de revestimiento pueden ofrecer resistencia aceptable al electrodo en el cual residen, ha habido gran cantidad de dificultad para obtener una adherencia adecuada entre los revestimientos protectores y los materiales de electrodos subyacentes. Como resultado, el electrolito comúnmente se meterá entre el revestimiento protector y el colector de corriente. Se debe notar que cualquier degradación o erosión de este colector de corriente de metal puede afectar adversamente el rendimiento de un capacitor DEL. Por ejemplo, cuando se usa un electrolito de ácido sulfúrico, cantidades incluso sustancialmente insignificantes de hierro presentes en el mismo pueden reducir agresivamente el voltaje de descomposición del electrolito y dar como resultado una reducción significativa en el voltaje operativo del capacitor. Por consiguiente, la degradación del colector de corriente debe evitarse.

Como se puede entender de la descripción anterior, existen varias desventajas asociadas con los diseños de capacitor DEL conocidos. El electrodo de la presente invención utiliza un diseño mejorado que reduce o elimina sustancialmente muchos de los problemas asociados con los capacitores DEL conocidos. El diseño del electrodo de la presente invención se puede usar para producir un capacitor DEL que tiene una energía específica incrementada, mejor confiabilidad, mayor capacidad de ciclos y una vida de servicio incrementada.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención incluye un electrodo nuevo y un capacitor DEL formado con el mismo. El electrodo en la presente invención se contempla que sea un electrodo polarizable. La composición del electrodo incluye de preferencia un material de carbón activado que tiene un porcentaje de ceniza sustancialmente de cero, y que también está sustancialmente libre de mezclas de metales de transición. Estos materiales de carbón activado se obtienen típicamente a partir de un material base sintético, tal como, por ejemplo, mediante la carbonización y subsecuente activación de un alquitrán o resina de furano. Otros materiales de carbón activado también pueden usarse aceptablemente, sin embargo, como se describió en más detalle abajo. De preferencia, un aglutinante que contiene flúor tal como politetrafluoroetileno (PTFE), o una sustancia polimérica similar, se añade al material de carbón activado durante la producción del material de electrodo. Al construir un capacitor DEL empleando el electrodo de la presente invención, se utiliza también de preferencia un electrodo no polarizable. En una modalidad de este capacitor DEL, un electrodo no polarizable compuesto de un compuesto de dióxido de plomo/sulfato de plomo se emplea de preferencia.

La presente invención contempla además un capacitor DEL que emplea un electrodo de la presente invención. Se espera que este capacitor DEL pueda utilizar un electrolito a base de ácido, tal como un electrolito de ácido sulfúrico acuoso. En consecuencia, la presente invención incluye también un colector de corriente para usarse con el electrodo descrito arriba. El colector de corriente de la presente invención consiste de preferencia esencialmente en un material de base que proporcionará la ventana de voltaje operativo deseada. Un número de materiales metálicos y no metálicos pueden emplearse exitosamente para este propósito. Sin embargo, con base en su capacidad para satisfacer varios requerimientos físicos mientras que simultáneamente sea de bajo costo, el plomo o un compuesto de plomo es especialmente atractivo como un material base para colectores de corriente. El material base es de preferencia revestido con un material protector que es resistente a un electrolito a base de ácido. De preferencia, el material de revestimiento protector se forma a partir de una base polimérica y un impurificador conductivo que puede posteriormente aplicarse al material base del colector de corriente mediante una variedad de métodos. Cuando este colector de corriente se fabrica usando plomo o un compuesto de plomo con un material base, el colector de corriente es menos costoso y más estable en un electrolito base de ácido que un colector de corriente de acero. Además, el revestimiento protector contemplado por la presente es más confiable que los revestimientos protectores conocidos, tales como revestimientos de hoja que son comúnmente fijados al material base del colector de corriente por medio de un adhesivo.

De esta manera, el electrodo de la presente invención permite que un capacitor DEL formado con el mismo supere muchas de las desventajas de los capacitores DEL conocidos. Detalles adicionales del electrodo y capacitor DEL de la presente invención se harán aparentes a partir de una lectura de la siguiente descripción y referencia a los dibujos anexos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Además de las características mencionadas arriba, otros aspectos de la presente invención se harán aparentes fácilmente a partir de las siguientes descripciones de los dibujos y modalidades ejemplares, en las que números de referencia iguales a través de las diferentes vistas se refieren a características idénticas o equivalentes, y en donde: La figura l a ilustra una vista en elevación frontal de una modalidad de un ensamble de electrodo polarizable de la presente invención.

La figura l b es una vista transversal del lado derecho del ensamble de electrodo polarizable de la figura l a.

La figura 2a es una vista en elevación frontal de una porción de electrodo polarizable del ensamble de electrodo polarizable de las figuras l a- I b.

La figura 2b es una vista lateral derecha del electrodo polarizable de la figura 2a.

La figura 3 a es una porción de colector de corriente del ensamble de electrodo polarizable de las figuras l a- I b.

La figura 3b es una vista transversal lateral derecha del colector de corriente de la figura 3a.

La figura 4 ilustra una modalidad de un capacitor DEL de la presente invención y La figura 5 muestra una modalidad alternativa de un capacitor DEL de la presente invención, en la que se emplea una pluralidad de los ensambles de electrodo polarizable de las figuras l a- Ib.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Una vista detallada de una modalidad de un ensamble de electrodo polarizable 10 de la presente invención se puede ver al hacer referencia a Ja figura 1 . El ensamble de electrodo polarizable 10 se forma al emparedar un colector de corriente 20 que tiene un revestimiento protector 30 entre dos electrodos polarizables 15. Los electrodos polarizables 15 y el colector de corriente 20 pueden observarse individualmente en las figuras 2-3, respectivamente. Se debe notar que ciertas dimensiones, particularmente el grosor de los diferentes componentes del ensamble de electrodos 10, han sido exagerados en las figuras 1 -5 por motivos de claridad. Aunque puede ser posible que un ensamble de electrodos 10 de la presente invención exhiba esta relación dimensional, no se intenta que un ensamble de electrodos de la presente invención sea limitado a lo que se muestra en las figuras 1 -5.

El material usado para formar los electrodos polarizables 15 mostrados en las figuras 1 -2 y 4-5 es un material de carbón activado que tiene un porcentaje de excelencia muy bajo o de sustancialmente cero. El material de carbón activado es de preferencia también sustancialmente libre de mezclas de metales de transición. Más específicamente, se prefiere que la concentración de metales de transición en el material de carbón activado sea de menos de 500 ppm. Los carbonos activados producidos de varios materiales sintéticos a partir de negro de humo, y a partir de materiales vegetales y minerales pueden usarse exitosamente. Estos materiales pueden ser sujetos a purificación especial para de esta manera reducir la concentración de metales de transición hasta un nivel aceptable. Un material de carbón activado obtenido por la carbonización adecuada y subsecuente activación de un alquitrán o resina de furano se ha determinado que es particularmente adecuado para usarse en la formación de un electrodo polarizable de la presente invención. Una forma aceptable de este material de carbón activado está disponible en Rusia con el nombre comercial "FAS". Este material de carbón activado puede estar en forma de lámina, disco, granulo, polvo u otra forma. Sin embargo, de preferencia, los electrodos polarizables 15 se fabrican usando una forma en polvo de este tipo de material de carbón activado. Más preferiblemente, el diámetro de las partículas de carbón activado no es mayor que 100 µm, y puede ser tan pequeño como aproximadamente 100Á.

Al material de polvo de carbón activado se le añade un aglutinante. Aunque un número de diferentes materiales aglutinantes puede usarse con resultados aceptables, en una modalidad ejemplar de un electrodo polarizable de la presente invención, el aglutinante incluye un compuesto que contiene flúor, más específicamente, una poliolefina fluorada. Un material aglutinante particular que se ha encontrado que produce buenos resultados es politetrafluoroetileno (PTFE). En la modalidad particular del electrodo polarizable 15, un aglutinante que comprende una emulsión fluoroplástica se mezcló con el polvo de carbón activado. Una versión aceptable de esta emulsión fluoroelástica está disponible con el nombre comercial de "F-4D" en Rusia. La emulsión fluoroplástica F-4D es una suspensión acuosa de fluoroplástico (Teflón).

La cantidad de aglutinante añadida al material de carbón activado puede variar dependiendo del material de carbono activado exacto. Sin embargo, de preferencia, alrededor de 0.5-5.0% en peso de material aglutinante se usa. Por ejemplo, para formar el electrodo polarizable 15 particular mostrado en las figuras 1 -2 y 4-5, aproximadamente 1 .0 por ciento en peso de la emulsión fluoroplástica se mezcló en el polvo de carbón activado.

Un electrodo polarizable 15 de la presente invención se puede formar mediante una variedad de técnicas conocidas, dependiendo del tamaño y forma deseados del mismo. Por motivos de ilustración, los electrodos polarizables de la presente invención pueden ser moldeados, extruidos, prensados o laminados a la forma y/o tamaño deseados. Como un ej emplo específico, los electrodos polarizables 15 empleados en el ensamble de electrodo polarizable 10 ejemplar de las figuras 1 -4 se formaron al mezclar primero el polvo de carbón activado con el material aglutinante que contiene flúor, y secando posteriormente el compuesto resultante para formar ladrillos. Los ladrillos fueron posteriormente humedecidos con alcohol etílico y laminados para crear tiras de espesor deseado. Tarjetas de electrodos, o placas, de longitud predeterminada y ancho fueron entonces cortadas de la tira del compuesto aglutinante/carbón activado después de que se había secado. Sin embargo, como se indicó arriba, un electrodo polarizable de la presente invención puede tener varias formas y tamaños. Por ejemplo, el electrodo polarizable 15 particular mostrado en las figuras 1 -2 y 4-5 tiene una longitud (altura) de aproximadamente 135 mm, un ancho de alrededor de 70 mm y un espesor de aproximadamente 1 .4 mm.

El ensamble de electrodo polarizable 10 de la presente invención emplea también un colector de corriente 20. En la modalidad ejemplar del ensamble de electrodo polarizable 10 mostrado en las figuras 1 y 4-5, el colector de corriente puede verse que incluye un substrato conductor en forma de una placa colectora 25, sobre la cual se aplica un revestimiento protector 30. Sin embargo, se debe entender que el tamaño y/o forma del colector de corriente 20 no está limitado a la mostrada, y puede variar según sea necesario para adaptarse al diseño del capacitor al cual se instalará. Por ejemplo, el substrato conductor puede tener otras formas, tal como un cilindro. También se debe entender que, por motivos de claridad, el espesor de los componentes del colector de corriente puede exagerarse en las figuras del dibujo. Por ejemplo, en la modalidad particular de colector de corriente 20 mostrado en las figuras 1 y 3-5, el espesor de la placa colectora 25 es en realidad de sólo aproximadamente 0.2 mm, y el espesor del revestimiento protector es en realidad de sólo alrededor de 7 µm.

En el ensamble de electrodo polarizable 10 de la presente invención, la placa colectora 25 reside entre un par de los electrodos polarizables 15. La placa colectora 25 puede comprender un número de materiales metálicos o no metálicos conductores. Por ejemplo, se contempla que la placa colectora 25 puede fabricarse a partir de materiales conductores tales como plomo, tantalio, niobio, plata, cobre, bismuto, rutenio, grafitos estrechamente empacados, o nitruros o carburos de varios metales de transición. Sin embargo, gracias a su capacidad para satisfacer varios requerimientos de propiedades físicas, y su bajo costo, se prefiere que la placa colectora 25 de la presente invención comprenda plomo o un compuesto de plomo. Por ejemplo, en la modalidad particular de colector de corriente 20 mostrado en las figuras 1 y 3 -5, la placa colectora 25 se forma a partir de un compuesto que consiste esencialmente en plomo y aproximadamente 3 por ciento en peso de estaño. El plomo se prefiere sobre el acero toda vez que es más estable en un electrolito ácido.

Aunque una placa colectora a base de plomo 25 es más estable que el acero en un electrolito ácido, no es completamente resistente al mismo. De hecho, con el tiempo un electrolito ácido puede corroer o de otra manera degradar una placa colectora de corriente a base de plomo, de esta manera dando como resultado un rendimiento reducido del capacitor. En consecuencia, la placa colectora a base de plomo 25 de la presente invención está provista de preferencia con un revestimiento protector 30. De preferencia, el revestimiento protector 30 encierra al menos una porción de la placa colectora 25 que será expuesta al electrolito del capacitor al cual se instale. Por ejemplo, en la modalidad ejemplar del ensamble de electrolito 10 de la presente invención, el revestimiento protector 30 se aplica a un área que corresponde sustancialmente a un área de la placa colectora 25 que se acoplará con cada electrodo polarizable 15. Como se puede ver en las figuras 4-5, esta área del ensamble de electrodo polarizable 10 que está en contacto sustancial con el electrolito del capacitor del ejemplar DEL ilustrado en la misma.

El revestimiento protector 30 aplicado a la placa colectora 25 puede tener varias composiciones. De preferencia, el revestimiento protector 30 consiste en un compuesto conductor que es estable en un electrolito ácido, tal como un electrolito de ácido sulfúrico. El compuesto conductor puede formarse a partir de un material base polimérico y un impurificador conductivo. Ejemplos no limitativos de materiales bases poliméricos aceptables incluyen: bitumen; alquitrán; brea de carbón-alquitrán; polímeros halogenados; polímeros de base de poliuretano; y compuestos de silicio orgánico. Ejemplos no limitativos de impurificadores conductivos aceptables incluyen: negro de humo; grafito y fibra de carbono. De preferencia, el impurificador conductivo comprende alrededor de 30-90 por ciento en peso del revestimiento protector 30. El impurificador conductivo puede comprender más o menos de 30-90 por ciento en peso del revestimiento protector 30, pero típicamente con consecuencias indeseables. Por ejemplo, se ha encontrado que con menos de 30 por ciento en peso de impurificador conductivo, la conductividad del revestimiento protector 30 puede volverse insatisfactoria. En forma similar, se ha encontrado que con más de 90 por ciento en peso de impurificador conductivo, el nivel de protección proporcionado por el revestimiento protector 30 puede ser degradado. En una modalidad alternativa de un colector de corriente de la presente invención, se puede preparar un revestimiento protector al mezclar un monómero y oligómero (que contenga plastificante y endurecedores) con un impurificador conductivo. En esta modalidad, la base polimérica puede ser después generada directamente sobre la superficie de la placa colectora por la polimerización del monómero y oligómero.

El revestimiento protector 30 puede prepararse y aplicarse mediante un número de métodos conocidos. Por ejemplo, la preparación inicial puede incluir mezclar el material base polimérico con el impurificador conductivo, y la creación subsecuente de una solución al introducir la mezcla en un solvente. La aplicación del revestimiento protector 30 a la placa colectora 25 puede lograrse por medios tradicionales. Por ejemplo, el revestimiento protector 30 puede aplicarse a la placa colectora 25 por cepillado, laminado, inmersión, impresión por estarcido, asperjado y otros medios de deposición similares. Si se introdujo un solvente en el material de revestimiento protector 30 antes de su aplicación, el solvente se remueve de preferencia del mismo por secado después de que el revestimiento protector haya sido aplicado. Además, un proceso de tratamiento térmico puede usarse para mejorar la adherencia entre el revestimiento protector 30 y la placa colectora 25, y/o las características protectoras del revestimiento protector. Un colector de corriente 20 producido así es económico y altamente resistente a la corrosión cuando es expuesto a un electrolito ácido. Además, el revestimiento protector 30 de la presente invención es más confiable que otros métodos conocidos de protección de colectores de corriente, tales como, por ejemplo, la unión por adhesivo de una hoja protectora a una placa colectora. A continuación se presentan varios ejemplos no limitativos de composiciones de revestimiento protectoras aceptables: EJEMPLO 1 Se preparó una mezcla compuesta que contenía alrededor de 30 por ciento en peso de un polímero de bitumen y alrededor de 70 por ciento en peso de un impurificador conductivo de negro de humo. El compuesto se preparó en presencia de un solvente de heptano para facilitar su aplicación a la placa colectora. El compuesto se aplicó posteriormente a la placa colectora y subsecuentemente se secó a aproximadamente 60°C para remover el solvente. Posteriormente, la placa colectora revestida con compuesto se trató térmicamente a una temperatura de entre aproximadamente 120- 140°C.

EJEMPLO 2 Se preparó una mezcla compuesta que comprendía alrededor de 30 por ciento en peso de un polímero de alquitrán y aproximadamente 70 por ciento en peso de un impurificador conductivo de negro de humo. El compuesto se preparó en presencia de un solvente de heptano para facilitar su aplicación a la placa colectora. El compuesto se aplicó posteriormente a la placa colectora y subsecuentemente se secó a aproximadamente 60°C para remover el solvente. Posteriormente, la placa colectora revestida con compuesto se trató térmicamente a una temperatura de entre alrededor de 120- 140°C.

EJEMPLO 3 Se preparó una mezcla compuesta que comprendía aproximadamente 25 por ciento en peso de un polímero clorado en revestimiento en frío y alrededor de 75 por ciento en peso de un impurificador conductivo de grafito finamente disperso. Un polímero clorado de endurecimiento empleado adecuado está disponible con el nombre comercial de Remochlor. El compuesto es aplicado a placa colectora, y la placa colectora revestida con compuesto fue subsecuentemente tratada térmicamente a una temperatura de alrededor de 60°C.

EJEMPLO 4 Se preparó una mezcla compuesta que comprendía aproximadamente 25 por ciento en peso de un polímero de órgano-silicio y aproximadamente 75 por ciento en peso de un impurificador conductivo de material de fibra finamente disperso. Un polímero de órgano-silicio adecuado está disponible con el nombre comercial de KP-303B de la compañía BASF®. Un material de fibra aceptable puede obtenerse por la grafitación de carbón fósil. El compuesto se aplicó a la placa colectora, y la placa colectora recubierta con compuesto fue posteriormente tratada térmicamente a una temperatura de alrededor de 120°- 130°C.

EJEMPLO 5 Se preparó una mezcla compuesta que comprendía alrededor de 25 por ciento en peso de un polímero a base de barniz de poliuretano y aproximadamente 75 por ciento en peso de un impurificador conductivo de material de fibra finamente disperso. Un polímero a base de barniz de poliuretano adecuado está disponible con el nombre comercial de CRAMOLIN® URETHANE-Clear y puede obtenerse de ITW Chemische Produkte GMBH en Alemania. Un material de fibra aceptable puede obtenerse por la grafitación de carbón fósil. El compuesto se aplicó a la placa colectora, y la placa colectora revestida con compuesto se trató posteriormente térmicamente a una temperatura de alrededor de 90°C.

Una vez que el colector de corriente 20 se ha producido al aplicar suficientemente revestimiento protector 30 a la placa colectora 25, los electrodos polarizables 15 pueden fijarse a la misma. Los electrodos polarizables 15 de la presente invención pueden fijarse a la placa colectora 25 revestida con revestimiento protector 30 mediante un número de medios que incluyen, por motivos de ilustración y no limitación, unión por aditivo y/o prensado/moldeo. La combinación del colector de corriente 20 y los electrodos polarizables 15 forma el ensamble de electrodo polarizable 10 ejemplar mostrado en las figuras 1 y 4-5. Aunque la modalidad ejemplar del ensamble de electrodo polarizable 10 de las figuras 1 y 4-5 se muestra que tiene un electrodo polarizable 15 sobre el lado opuesto de la placa colectora 25, también es posible, dependiendo del diseño del capacitor al cual se instalará el ensamble de electrodo polarizable, ubicado un electrodo polarizable sólo sobre un lado de la placa colectora.

El ensamble de electrodo polarizable 10 está diseñado para usarse en un capacitor electroquímico. Como el ejemplo más simple, este capacitor electroquímico puede tener sólo dos electrodos, separados por un electrodo y posiblemente un separador. Es posible construir este capacitor usando dos ensambles de electrodo polarizables 10, se prefiere que un capacitor de la presente invención tenga tanto un ensamble de electrodo polarizable como un ensamble de electrodo no polarizable. Esta disposición puede observarse con referencia específica a la figura 4. La figura 4 ilustra una modalidad ejemplar, y simplista, de un capacitor DEL 50 de la presente invención. Como puede verse, un ensamble de electrodo polarizable 10b y un ensamble de electrodo no polarizable 55 residen sobre extremos sustancialmente opuestos de un estuche de sellado 65. El ensamble de electrodo polarizable 10b comprende un colector de corriente 20 descrito previamente de la presente invención, al cual se fija un electrodo polarizable individual 15. El ensamble de electrodos no polarizables 55 comprende un colector de corriente 20 descrito previamente de la presente invención, al cual se fija un solo electrodo no polarizable 60. Aunque otros materiales pueden usarse para formar un electrodo no polarizable de la presente invención, el electrodo no polarizable 60 de la modalidad ejemplar mostrada en la figura 4 se forma a partir de una mezcla de dióxido de plomo y sulfato de plomo. El electrodo no polarizable puede formarse y fij arse a su colector de corriente 20 mediante cualquiera de una multitud de técnicas conocidas. Los electrodos polarizables o no polarizables 15, 60 pueden ser de diseño simétrico o asimétrico. Más específicamente, los electrodos polarizables y no polarizables 15, 60 pueden tener una capacitancia absoluta similar o disimilar. Cuando un capacitor DEL de la presente invención emplea un diseño asimétrico, la capacitancia absoluta del electrodo de mayor capacitancia es de preferencia al menos 3 veces y, muy preferiblemente, aproximadamente 10 veces la capacitancia absoluta del electrodo de capacitancia más pequeña.

Como puede verse en la figura 4, los colectores de corriente 20 de los ensambles de electrodo polarizables y no polarizables 10b, 55 se dejan sobresalir a través del estuche 65 para una conexión eléctrica adecuada. La interfaz entre los colectores de corriente 20 y el estuche 65 puede ser provista con un sello (no mostrado). Un separador 70 puede ubicarse dentro del estuche 65 para dividir el espacio hueco entre los ensambles de electrodo 10b, 55. El separador 70 puede formarse de varios materiales. Por ejemplo, el separador 70 puede formarse de una de una variedad de materiales utilizados comúnmente en la fabricación de baterías de plomo-ácido para separadores. Siempre que un material específico se seleccione para crear el separador 70, debe proporcionar un alto nivel de transferencia de oxígeno de electrodo positivo al electrodo negativo (es decir, del electrodo no polarizable al electrodo polarizable en la modalidad de la figura 4), y permitir también lograr un ciclo de oxígeno eficiente durante la carga del capacitor. En la modalidad ejemplar de la figura 4, el separador 70 se construye de un material de vidrio permeable a iones. El espacio hueco restante dentro del estuche 65 es llenado sustancialmente con un electrolito 75. Dependiendo de la composición de los electrodos 15, 60, un número de electrodos diferentes pueden emplearse adecuadamente en este capacitor. En la modalidad ejemplar del capacitor DEL 50 mostrado en la figura 4, un ácido sulfúrico acuoso se utiliza como el electrolito 75.

En operación, se aplica un voltaj e al capacitor DEL 50. Al aplicarse el voltaje, reacciones de oxidación/reducción ocurrirán en la interfaz del electrodo no polarizable 60 y el electrolito 75. Estas secciones de oxidación/reducción son el resultado del comportamiento pseudocapacitivo faradaico del electrodo no polarizable 60 y son responsables de la transferencia de carga en el electrodo no polarizable.

Durante la aplicación de voltaje, el electrodo polarizable 15 almacenará energía eléctrica a través de un mecanismo electroquímico de doble capa (un proceso no faradaico). En este proceso, una capa de electrones 80 se formará en el lado del electrodo 15 de la interfaz electrodo/electrolito, en tanto que una capa de iones positivos 85 se formará sobre el lado de electrolito de la interfaz de electrodo/electrolito. El voltaje a través de esta interfaz se incrementa con la acumulación de carga, y eventualmente es liberado durante la descarga del capacitor.

Un capacitor DEL de varias celdas 100 de la presente invención puede observarse de la figura 5. El capacitor DEL de varias celdas 100 utiliza siete de los ensambles de electrodo polarizables 10 mostrados en la figura 1 . El capacitor DEL de varias celdas 100 utiliza también siete ensambles de electrodos no polarizables 110. Los siete ensambles de electrodos polarizables 10 y los siete ensambles de electrodos no polarizables 110 se ubican dentro de un estuche 125 en una relación separada y alternante. A diferencia del capacitor DEL 50 de la figura 4, los ensambles de electrodo polarizables y no polarizables 10, 110 del capacitor DEL 100 de la figura 5 utilizan un corrector de corriente 20 que está emparedado entre dos electrodos 15, 115. Cada uno de los ensambles de electrodo no polarizables 110 se muestra también estando sustancialmente encerrado dentro de un separador de vidrio 120. Un electrolito de ácido sulfúrico acuoso 130 llena sustancialmente el espacio o hueco dentro del estuche 125 y entre los ensambles de electrodo 10, 110. El capacitor DEL 100 de la presente invención opera de una manera similar a la del capacitor DEL de la figura 4. Sin embargo, debido al número incrementado de ensambles de electrodo 10, 110 usados, la capacidad de almacenamiento total del capacitor DEL 100 es incrementada.

El diseño del ensamble de electrodo/electrodo polarizable permite la construcción de un capacitor DEL que tenga capacidad de almacenamiento de energía mejorada. Por ejemplo, capacitores de prueba DEL ejemplares que usan un ensamble de electrodos polarizables y un colector de corriente a base de plomo, como el descrito arriba, han exhibido un voltaje operativo de hasta aproximadamente 2.2 voltios. Además, estos electrodos han exhibido una capacitancia específica en la escala de aproximadamente 900- 1 ,000 F/g cuando son expuestos a un electrolito de ácido sulfúrico. Por lo tanto, los capacitores DEL construidos de acuerdo con la presente invención pueden poseer energías específicas de aproximadamente 18-20 Wh/kg, o aproximadamente 60 Wh/1.

Aunque ciertas modalidades de la presente invención se describen en detalle arriba, el alcance de la invención no debe considerarse limitado por esta descripción, y son posible modificaciones sin alej arse del alcance de la invención como se evidencia por las siguientes reivindicaciones.

Claims (32)

REIVINDICACIONES

1 . Un electrodo para usarse en un capacitor electroquímico, el electrodo se caracteriza porque consiste esencialmente en: una mezcla de un material activo y un aglutinante, el material activo comprende un carbón activado obtenido a partir de la carbonización y subsecuente activación de un alquitrán de furano y/o una resina de furano, el aglutinante comprende entre aproximadamente 0.5 y alrededor de 5.0 por ciento en peso de un polímero que contiene flúor y un colector de corriente que tiene un substrato formado a partir de un material eléctricamente conductor, por lo menos una porción del substrato está encerrada dentro de un revestimiento protector resistente a ácidos que consiste esencialmente en un compuesto que tiene un material de base polimérico y un impurificador conductivo.

2. El electrodo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el electrodo es polarizable.

3. El electrodo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el aglutinante se añade al carbón activado como una emulsión fluoroplástica.

4. El electrodo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la capacitancia específica del electrodo es de entre aproximadamente 900 y alrededor de 1 ,000 F/g en un electrolito de ácido sulfúrico.

5. Un ensamble de electrodos para usarse en un capacitor electroquímico, caracterizado porque comprende: por lo menos un electrodo que consiste esencialmente en una mezcla compuesta que tiene un material activo que comprende un carbón activado obtenido a partir de la carbonización y subsecuente activación de un alquitrán de furano y/o una resina de furano, y un aglutinante polimérico que contiene flúor y un colector de corriente, el colector de corriente comprende además: un substrato formado a partir de un material eléctricamente conductor y un revestimiento protector que encierra al menos una porción de substrato que será expuesta a un electrolito una vez que el colector de corriente sea instalado en el capacitor electroquímico, el revestimiento protector consiste esencialmente en un compuesto que tiene un material base polimérico y un impurificador conductivo, en donde el por lo menos un electrodo es fijado al substrato después de que el substrato es cubierto con el revestimiento protector y en donde el revestimiento protector es resistente a un electrolito a base de ácido.

6. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el por lo menos un electrodo es polarizable.

7. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el substrato conductor del colector de corriente comprende plomo o un compuesto de plomo.

8. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el substrato conductor del colector de corriente comprende una mezcla de plomo y estaño.

9. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el material base polimérico del revestimiento protector se selecciona del grupo que consiste en bitumen, alquitrán, brea de carbón-alquitrán, polímeros halogenados, polímeros a base de poliuretano y polímeros de silicio orgánico.

10. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el impurificador conductivo del revestimiento protector se selecciona del grupo que consiste en negro de humo, grafito y fibra de carbono.

1 1 . El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque comprende además la adición de un solvente orgánico al revestimiento protector compuesto.

12. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el revestimiento protector se aplica al substrato mediante un método seleccionado del grupo que consiste en cepillado, laminado, inmersión, impresión por estarcido y aspersión.

13. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el revestimiento protector comprende una mezcla de un monómero y un oligómero que contiene plastificantes y endurecedores, con lo cual, luego de la aplicación del revestimiento protector, la base polimérica se genera directamente sobre la superficie del substrato mediante la polimerización del monómero y el oligómero.

14. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque las propiedades resistentes y adhesivas del revestimiento protector son mejoradas por exposición a una escala predeterminada de temperaturas elevadas.

15. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el por lo menos un electrodo es fijado al substrato cubierto con revestimiento protector por medio de un adhesivo.

16. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el por lo menos un electrodo es fijado al substrato cubierto con revestimiento protector por prensado.

17. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el por lo menos un electrodo es fijado al substrato cubierto con revestimiento protector tanto por un medio adhesivo como de prensado.

18. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el por lo menos un electrodo es moldeado sobre el substrato cubierto con revestimiento protector durante la formación del por lo menos un electrodo.

19. El ensamble de electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el revestimiento protector es resistente a ácido sulfúrico.

20. Un capacitor electroquímico de doble capa eléctrica, caracterizado porque comprende: por lo menos un ensamble de electrodo polarizable, el ensamble de electrodo polarizable comprende además: (a) al menos un electrodo que comprende una mezcla compuesta que tiene un material activo que consiste esencialmente en un carbón activado obtenido a partir de la carbonización y subsecuente activación de un alquitrán de furano y/o una resina de furano, y un aglutinante polimérico que contiene flúor y (b) un colector de corriente, el colector de corriente comprende además: un substrato formado a partir de un material eléctricamente conductor, y un revestimiento protector que encierra al menos una porción del substrato que será expuesta a un electrolito una vez que el colector de corriente sea instalado en el capacitor electroquímico, el revestimiento protector consiste esencialmente en un compuesto que tiene un material base polimérico y un impurificador conductivo que es resistente a un electrolito a base de ácido, al menos un ensamble de electrodos no polarizables, el ensamble de electrodos no polarizables comprende además : (a) por lo menos un electrodo no polarizable que consiste esencialmente en una mezcla compuesta de un dióxido de metal y un sulfato de metal y (b) un colector de corriente, el colector de corriente comprende además: un substrato formado a partir de un material eléctricamente conductor, y un revestimiento protector que encierre al menos una porción del substrato que será expuesto a un electrolito una vez que el colector de corriente se instale en el capacitor electroquímico, el revestimiento protector consiste esencialmente en un compuesto que tiene un material base polimérico y un impurificador conductivo que es resistente a un electrolito a base de ácido, un estuche para alojar tanto el por lo menos un ensamble de electrodos polarizables como el por lo menos un ensamble de electrodos no polarizables; por lo menos un separador dentro del estuche para separar al por lo menos un ensamble de electrodos polarizables del por lo menos un ensamble de electrodos no polarizables y un electrolito a base de ácido que reside dentro del estuche y entre el por lo menos un ensamble de electrodos polarizables y el por lo menos un ensamble de electrodos no polarizables; en donde el almacenamiento de carga se logra en el por lo menos un ensamble de electrodos polarizables por medio de un mecanismo electroquímico de doble capa no faradaico que ocurre en una interfaz del electrodo polarizable y el electrolito y en donde el almacenamiento de carga se logra en el por lo menos un ensamble de electrodos no polarizables por medio de reacciones de oxidación/reducción que ocurren en una interfaz entre el electrodo no polarizable y el electrolito.

21 . El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el substrato conductor del colector de corriente comprende plomo o un compuesto de plomo.

22. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado porque el substrato conductivo del colector de corriente comprende una mezcla de plomo y estaño.

23. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el por lo menos un electrodo no polarizable consiste esencialmente en una mezcla de dióxido de plomo y sulfato de plomo.

24. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el estuche es sellado.

25. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el separador envuelve al menos una porción de cada uno de los ensambles de electrodos no polarizables.

26. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el separador es un material de vidrio.

27. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque el material de vidrio es permeable a iones.

28. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque los electrodos polarizables y los electrodos no polarizables son asimétricos con respecto a la capacitancia absoluta.

29. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque el electrodo de capacitancia más grande tiene una capacitancia absoluta que es al menos tres veces y, muy preferiblemente, aproximadamente diez veces la capacitancia absoluta del electrodo de capacitancia más pequeña.

30. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el electrolito a base de ácido es ácido sulfúrico.

3 1. El capacitor electroquímico de doble capa de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque los electrodos polarizables y no polarizables están dispuestos en una relación sustancialmente separada uniformemente y alternante.

32. Un capacitor electroquímico de doble capa eléctrica, caracterizado porque comprende: una pluralidad de ensambles de electrodo polarizables, cada uno de los ensambles de electrodos polarizables comprende: (a) por lo menos un electrodo que consiste esencialmente en una mezcla compuesta que tiene un material activo que comprende un carbón activado obtenido a partir de la carbonización y subsecuente activación de un alquitrán de furano y/o una resina de furano, y un aglutinante polimérico que contiene flúor y (b) un colector de corriente, el colector de corriente comprende además: un substrato formado a partir de un material eléctricamente conductor, y un revestimiento protector que encierre al menos una porción del substrato que será expuesta a un electrolito una vez que el colector de corriente sea instalado en el capacitor electroquímico, el revestimiento protector consiste esencialmente en un compuesto que tiene un material base polimérico y un impurificador conductivo que es resistente a un electrolito a base de ácido, un estuche para alojar la pluralidad de ensambles de electrodos polarizables; por lo menos un separador dentro del estuche para separar la pluralidad de ensambles de electrodos polarizables y un electrolito a base de ácido que reside dentro del estuche y entre la pluralidad de ensambles de electrodos polarizables; en donde el almacenamiento de carga se logra en cada uno de la pluralidad de ensambles de electrodos polarizables por medio de un mecanismo electroquímico de doble capa no faradaico que ocurre en una interfaz del electrodo polarizable y el electrolito.