MXPA99008865A - Baterias de boruro de alta densidad de energia - Google Patents

Abstract

Los boruros en general pueden producir una celda (10) con alta densidad de energía. También pueden lograrse altas densidades de potencia utilizando boruros que son conductores razonablemente buenos de la electricidad. La alta densidad es importante para lograr una alta densidad de energía. Otro factor es importante es disminuir el peso molecular por electrón disponible. Los boruros en general proporcionan un equilibrio favorable de estos factores en comparación con otros materiales, como litio y zinc. Los boruros individuales tienen otras características importantes, como el boruro de titanio que es seguro. En una modalidad preferida, el boruro se utiliza como elánodo (14) contenido en una taza metálica (16) y se hace reaccionar contra un cátodo de respiración de aire (20).

Description

BATERÍAS DE BORURO DE ALTA DENSIDAD DE ENERGÍA CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere en general al campo de la conversión electroquímica utilizando celdas, en particular baterías de alta densidad de energía.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Muchos dispositivos que requieren de electricidad proveniente de una batería quedan limitados en su utilidad por el tiempo de vida de la batería. Tanto el tamaño como el peso (en otras palabras la densidad de energía) pueden ser factores limitantes de la vida de la batería, en particular para dispositivos pequeños. En particular los aparatos auxiliares para la audición, entre muchos otros dispositivos podrían mejorarse aumentando la densidad de energía de la batería. Por ejemplo, muchos dispositivos podrían además proporcionarse en un tamaño miniatura si se tuviera disponible una batería más pequeña que proporcionara una densidad de energía razonable. En consecuencia, existe en general la necesidad de generar la mayor cantidad de energía eléctrica posible a partir de una batería que tenga un volumen limitado.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN He descubierto que el uso de algunos boruros puede proporcionar una celda de alta densidad de energía.

También pueden lograrse densidades de alta potencia, por ejemplo, utilizando boruros que son razonablemente buenos conductores de electricidad. En consecuencia, un aspecto de la invención caracteriza en general a un medio de almacenaje electroquímico que incluye por lo menos un compuesto que contiene boro reducido. La energía alamacenada se libera por reacciones que oxidan al compuesto que contiene boro reducido, a fin de generar una corriente eléctrica y un compuesto que contiene boro oxidado. Típicamente, los compuestos que contienen boro reducido consisten en un boruro (por ejemplo boruro de titanio, boruro de vanadio o boruro de aluminio) . El medio de almacenaje puede contener boro elemental además del boruro. Los boruros conductores pueden utilizarse para mejorar la conductividad global y, por lo tanto, la corriente que puede suministrarse. Las mezclas de los boruros también se contemplan para lograr las combinaciones deseadas de densidad de energía y conductividad, dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, puede mezclarse un boruro de baja conductividad con un boruro de conductividad superior para lograr una conductividad y una densidad de energía deseadas . Los boratos o poliboratos también pueden utilizarse como el compuesto que contiene boro reducido. Los aluros de boro u oxialuros de boro también pueden emplearse. En general referirse a la siguiente tabla. El compuesto que contiene boro oxidado contendrá una combinación de óxidos, aluros y oxialúros metálicos correspondientes . Típicamente, el medio de almacenaje es un medio acuoso, pero la invención puede utilizarse también en sistemas no acuosos. Otra forma de mejorar la conductividad y de esta manera aumentar la corriente es utilizar un electrolito conductor. Los reforzadores de conductividad, por ejemplo borohidruros o boruros metálicos también pueden añadirse al medio para reforzar la conductividad y para contribuir, en cierto grado, a la salida eléctrica. Alternativamente, los reforzadores de conductividad inertes, por ejemplo el grafito y otras formulaciones de carbón conductor pueden utilizarse. La reacción electroquímica se mejora por un pH alcalino, de manera que el medio de almacenaje de preferencia tiene un pH superior a 8.5 y, con mayor preferencia, tiene un pH superior a 11.0. Típicamente se añade un hidróxido de metal alcalino al medio de almacenaje para proporcionar conductividad así como control del pH.

El medio de almacenaje puede utilizarse como parte de la batería. El cátodo de la batería está en contacto eléctrico con el medio de almacenaje y de preferencia está incluido un material que está oxidado por contacto con oxígeno molecular (02) , por ejemplo aire ambiental u oxígenos suministrado de manera exógena. La batería se utiliza para generar una corriente poniendo en contacto una carga con la batería . Una modalidad no limitativa y específica de la presente invención utiliza diboruro de titanio (TiB2) como el ánodo de la batería que incluye un medio de respiración de aire para el cátodo. Como un ejemplo de la densidad de energía teórica que se puede lograr, el diboruro de titanio con una densidad de 4.6 gm/cc tiene una densidad energética teórica de más de 30 Watt hora/cc. Es importante una alta densidad (masa) para lograr una alta densidad de energía. Otro factor importante es disminuir el peso por mol disponible de electrones . Los boruros en general proporcionan un equilibrio favorable de estos factores en comparación con otros muchos materiales, por ejemplo litio o zinc. Además, los boruros individuales tienen otras características importantes. El diboruro de titanio es seguro y ambientalmente aceptable; los productos finales de la descarga de boruro de titanio en un medio básico son esencialmente bórax y dióxido de titanio, los dos tienen un impacto ambiental relativamente bajo. Incluso los materiales de partida, los boruros mismos, son algo refractarios y también relativamente benignos para el ambiente. Otros boruros como por ejemplo boruro de vanadio con una alta densidad de 5.1 g/mol, pueden utilizarse.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista diagramática, en sección, de una batería no reutilizable, de acuerdo a la invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Los materiales de ánodo que contienen boruro proporcionan alta energía. Cuando se combinan en una batería, por ejemplo, con un electrodo de respiración de aire como el cátodo, la densidad de alta energía puede lograrse . Utilizando el diboruro de titanio como ejemplo, las medias reacciones que se llevan a cabo en la batería son las siguientes: 2 TiB2 + 20 OH- + 20 e- = 2 Ti02 + 2 B203 + H20 (ánodo) (1) 02 + 10 ? fi = 20 OH- + 20 e - (cátodo) (2 ) Estas dos reacciones dan por resultado la reacción neta de : TiB, + 5 0, 2 Ti02 + 2 B203 (neta) 111 Mientras que no se predice un 100% de eficiencia, debe mencionarse que la cantidad de energía (conocida como ?G) que está teóricamente disponible de la reacción (3) , más de 4,000 KJ por 2 moles de diboruro de titanio (aproximadamente 139.4 gramos) es .muy alta, más de 28 Megajoules por kilogramo y más de 140 megajoules por litro. La química de los compuestos de boruro es compleja. Hay muchos compuestos no estequiométricos de boro con los elementos. Por ejemplo mientras que las ecuaciones (1) y (3) utilizan TiB2, el boruro puede ser cualquier boruro o una mezcla de boruros, incluyendo al boro elemental. El ánodo también puede incluir otros compuestos que mejorarían cualquiera de los parámetros de desempeño de la batería, según se desee. Los ejemplos de otros boruros que son adecuados para utilizarse en la batería en general quedan dentro de las siguientes clases de compuestos: A. Boruros de metal alcalino: boruros del Grupo la (grupo 1) ; B. Boruros de metal alcalino: boruros del Grupo lia (grupo 2) ; C. Boruros del grupo Illa (Grupo 11) ; D. Boruros del grupo IVa (Grupo 12) ; E. Boruros de metal de transición que incluyen los grupos Ib a 8b (grupos 3 a 10) ; F. Boruros del grupo lantánido y actínido. Mas específicamente los compuestos incluyen aquellos que se mencionan a continuación.

TABLA 1 - Boruros Boruros de litio; boruro de berilio; boro; carburos de boro; nitruros de boro, boruros de sodio; boruros de magnesio; boruros de aluminio; boruros de silicio; boruros de fósforo; boruros de potasio; boruros de calcio; boruros de escandio; boruros de titanio; boruros de vanadio; boruros de cromo; boruros de manganeso; boruros de hierro; boruros de cobalto; boruros de níquel; boruros de cobre; boruros de galio; boruros de arsénico; boruros de rubidio; boruros de estroncio; boruros de itrio; boruros de circonio; boruros de niobio; boruros de molibdeno; boruros de tecnecio; boruros de rutenio; boruros de rodio; boruros de paladio; boruros de plata; boruros de cesio; boruros de bario; boruros de lantano; boruros de cerio; boruros de praseodimio; boruros de neodimio; boruros de prometió; boruros de samario; boruros de europio; boruros de gadolinio; boruros de terbio; boruros de disprosio; boruros de holmio; boruros de erbio; boruros de tulio; boruros de iterbio; boruros de lutecio; boruros de hafnio; boruros de tantalio; boruros de tungsteno; boruros de renio; boruros de osmio; boruros de iridio; boruros de platino; boruros de torio; boruros de uranio; boruros de plutonio. La existencia de compuestos de boro no estequiométricos útiles significa que la relación de los elementos representados como E?By, variara considerablemente sin desviarse las enseñanzas de esta patente. El boro elemental así como otro elemento (B) puede añadirse como un componente del ánodo. Para los boruros que reaccionan con agua, el sistema utilizado es un sistema acuoso o se almacena en una forma que evite la activación hasta que el electrolito se deja entrar en contacto con el boruro. Adicionalmente, como regla general para aplicar la lista anterior, la densidad de energía tenderá a disminuir yendo hacia abajo y hacia mano derecha de la tabla periódica. La reactividad con agua en general tiende a presentarse sólo con las primeras dos columnas a la izquierda de la tabla. Las conductividades eléctricamente superiores tienden a encontrarse en el centro de la tabla donde están muchos de los boruros de metal de transición que exhiben conductividades metálicas altas o uniformes. La muy amplia gama de propiedades de estos compuestos es la que proporciona la amplia gama de diversidad de las baterías terminadas . Un amplio arreglo de electrolitos y oxidantes puede incorporarse en la batería para complementar los compuestos de boruro que pueden utilizarse. Los ejemplos son: sistemas de agua/hidróxido de sodio; hidróxidos de metal alcalino como por ejemplo hidróxido de litio; hidróxido de sodio; hidróxido de potasio; hidróxido de rubidio; hidróxido de cesio; hidróxidos de tetraorganoamonio de la fórmula general R4NOH - en donde los grupos R pueden ser iguales o diferentes en la misma molécula - como por ejemplo el hidróxido de tetrametilamonio y glicerina/agua/ácido bórico o boratos. Los materiales de ánodo que se describen arriba o la combinación de estos materiales puede utilizarse en una batería cuyo cátodo sea un agente oxidante adecuado. Entre las baterías de cátodo adecuado están: cátodos que utilizan oxígeno molecular (02) como por ejemplo electrodos de respiración de aire directos; cátodos que incluyen un agente oxidante, por ejemplo cualquier material que proporcione oxígeno, por ejemplo ferratos, Mn02, Cr03, KMn04, NiOOH, peróxidos, perhalogenatos, percloratos, cloratos, bromatos, perbromatos, yodatos, peryodatos, hipocloritos, cloritos, haluros de metal de alta valencia, etc. En general se pueden utilizar los halogenatos de la fórmula HALx0yn en donde el estado de oxidación del halógeno (HAL) es de +1 a +7 y el número de átomos de oxígeno es tal que la carga del anión normalmente es -1, de manera que el valor n normalmente es 1. Otros materiales pueden estar basados en halógenos, por ejemplo flúor o en fluoruros o cloruros de metales de alta valencia, como por ejemplo NiF3 o interhalógenos como por ejemplo IF5 o C1F3, etc. Los sistemas no acuosas pueden utilizarse para materiales a base de halógenos que son sensibles al agua. Por ejemplo, estos sistemas pueden utilizar solventes orgánicos que sean conductores (o que puedan hacerse conductores con la adición de refuerzos) . Una característica importante de esta química es su habilidad para operar en temperaturas moderadas o ambiente, evitando el uso de sales fundidas y permitiendo que las baterías se utilicen en muchas aplicaciones, por ejemplo para productos para el consumidor. Al establecer una velocidad de reacción deseada se puede lograr la salida de corriente adecuada para la aplicación específica. Esta velocidad se determina por la combinación de factores previamente mencionados, los factores clave son la composición de electrólito, la conductividad de toda la celda, los materiales para el ánodo y el cátodo. Por ejemplo, los sistemas acuosos altamente alcalinos (pH mayor a 9.0 y de preferencia mayor a 11.0) proporcionarán una reacción más rápida y, quedando el resto de los factores iguales, si las especies iónicas del electrólito son un factor limitante de la conductividad, el pH superior también aumentará la conductividad y la corriente . Aquellos expertos en la técnica también comprenderán que puede utilizarse una variedad de mejoradores de corriente según se desee en una aplicación específica. Por ejemplo, materiales inertes (que no participan) como son los electrólitos más iónicos o el grafito, podrán utilizarse. En algunas aplicaciones puede desearse utilizar un reforzador de corriente que por sí mismo participe en la oxidación. Y de esta manera contribuye, por lo menos en cierto grado, a la densidad de corriente así como a la conductividad. En algunos casos, por ejemplo con los boruros metálicos (por ejemplo NiB2, FeB y otros boruros) podrán añadirse. Aquellos expertos en esta técnica comprenderán que la invención puede adaptarse a muchas aplicaciones de batería diferentes con diferentes limitaciones de volumen y requisitos de corriente. Una forma preferida de proporcionar el compuesto de boruro en una batería es elaborar una pasta de hidróxido (NaOH, LiOH) que se ponga en contacto con el ánodo. El cátodo puede ser un electrodo que respira aire. Por ejemplo, el cátodo puede ser un plástico permeable al aire en contacto con fieltro, que comprende un polvo metálico, por ejemplo níquel, platino o plata. El aire oxida al polvo metálico, en una reacción que puede acoplarse con el medio de almacenaje del ánodo que contiene boro (por ejemplo la pasta antes descrita) . La compañía Electrosynthesis Corp. de Lancaster, N.Y. vende cátodos de respiración de aire que son adecuados para algunas aplicaciones . En la Figura 1, la batería de pastilla 10 es el tipo de batería que se utiliza para los aparatos auditivos o para otros dispositivos electrónicos. La batería 10 incluye una tapa metálica que proporciona la terminal negativa, que cubre a una pasta TiB2/KOH contenida en una taza metálica 16. El fondo de la taza 16 incluye orificios pequeños de respiración de aire que permiten que el aire llegue al cátodo 20 de respiración de aire. El cátodo 20 incluye una base 22 de plástico permeable al aire cubierta por una capa de fieltro 24. La capa de fieltro 24 está impregnada con un polvo metálico (por ejemplo: Ag, Ni, Pt, etc.) que reacciona con 02 en el aire. Una malla metálica 26 (por ejemplo Ni) también está incluida en la capa de fieltro para mejorar la conductividad. Los cátodos alternativos incluyen electrodos a base de Mn02 como material redox.

Claims (34)

1. REIVINDICACIONES : 1. Un medio de almacenaje electroquímico que comprende por lo menos un compuesto que contiene boro reducido que es oxidable para formar un compuesto que contiene boro oxidado en una reacción, que proporciona una corriente eléctrica.
2. 2. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde la composición contiene boro en forma de boruro.
3. 3. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde la composición contiene boro elemental .
4. 4. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde la composición contiene un boruro que es conductor.
5. 5. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el compuesto que contiene boro oxidado es un borato o poliborato.
6. 6. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el medio de almacenaje es un sistema acuoso.
7. 7. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el medio de almacenaje es un medio no acuoso.
8. 8. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el compuesto que contiene boro oxidado es un haluro de boro o un oxihaluro de boro.
9. 9. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, que comprende un electrolito conductor.
10. 10. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el medio comprende además un borohidruro además del compuesto que contiene boro reducido.
11. 11. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el medio comprende además un boruro metálico.
12. 12. El medio de almacenaje según la reivindicación 11, en donde el boruro metálico es FeB o NiB2.
13. 13. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el medio de almacenaje comprende además un reforzador de conductividad que se oxida por si mismo para proporcionar corriente de adición durante la oxidación del compuesto que contiene boro reducido.
14. 14. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el medio de almacenaje comprende además grafito.
15. 15. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el medio de almacenaje comprende además un reforzador de conductividad inerte.
16. 16. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde uno de los compuestos que contiene boro reducido es diboruro de titanio.
17. 17. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el compuesto que contiene boro reducido es diboruro de Vanadio .
18. 18. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el compuesto que contiene boro reducido es un boruro de aluminio.
19. 19. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde uno de los compuestos se selecciona del grupo mencionado en el cuadro 1.
20. 20. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el compuesto que contiene boro oxidado incluye un óxido metálico y un borato.
21. 21. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el compuesto oxidado contiene una combinación de óxidos, haluros y oxihaluros metálicos correspondientes .
22. 22. El medio de almacenaje según la reivindicación 1, en donde el medio de almacenaje tiene un pH superior a 8.5.
23. 23. El medio de almacenaje según la reivindicación 22, en donde el medio de almacenaje tiene un pH superior a 11.0.
24. 24. Una batería que comprende al medio de almacenaje de la reivindicación 1 en contacto eléctrico con un cátodo adecuado.
25. 25. Una batería según la reivindicación 24, en donde el cátodo es un material que se oxida al contacto con oxígeno .
26. 26. La batería según la reivindicación 25, en donde el cátodo se oxida por exposición al oxígeno molecular.
27. 27. La batería según la reivindicación 26, en donde el cátodo se oxida por exposición al aire.
28. 28. Una batería según la reivindicación 24, en donde el cátodo comprende un compuesto oxidante que contiene oxígeno.
29. 29. Una batería según la reivindicación 28, en ^ donde el compuesto oxidante se selecciona de ferratos, Mn03, Cr03, Kmn04, LiCo02, NiOOH, peróxidos, perhalogenatos, percloratos, cloratos, bromatos, perbromatos, yodatos, peryodatos, hipocloritos, cloritos.
30. 30. Una batería según la reivindicación 24, en donde el cátodo comprende un compuesto oxidante que no contiene oxígeno.
31. 31. Una batería según la reivindicación 30, en donde el compuesto que no contiene oxígeno comprende un metal de alta valencia.
32. 32. Una batería según la reivindicación 31, en donde el compuesto que no contiene oxígeno es un haluro metálico en donde el metal puede reducirse a una valencia menor.
33. 33. Una batería según la reivindicación 31, en donde el compuesto que no contiene oxígeno es un interhalógeno .
34. 34. Un método para generar una corriente poniendo en contacto una carga con la batería de la reivindicación 24.