BRPI0718331A2

BRPI0718331A2 - Conjunto de eletrodo, dispositivo de desalinhamento de supercapacitor, métodos de fabricação de um conjunto de eletrodo e sistema

Info

Publication number: BRPI0718331A2
Application number: BRPI0718331-3A
Authority: BR
Inventors: Wei Cai; Chang Wei; Lei Cao; Rihua Xiong; Su Lu; Yu Du; Zhigang Deng
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2013-11-12
Also published as: CN104609517A; IL198834A; CN104609517B; TW200839817A; US20080144256A1; WO2008140556A2; AU2007353388A1; IL198834A0; CA2672550A1; US7813106B2; JP2010513018A; AU2007353388B2; WO2008140556A3; EP2129628A2; TWI427654B; CA2672550C; CN101563296A; JP5259620B2

Description

"CONJUNTO DE ELETRODO, DISPOSITIVO DE DESALINHAMENTO DE SUPERCAPACITOR, MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE UM CONJUNTO DE

ELETRODO E SISTEMA" Campo da In venção

A presente invenção inclui realizações que podem relacionar

desalinhamento supercapacitivo e métodos de sua fabricação.

Antecedentes da Invenção Um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor emprega um par de eletrodos com polaridade reversa entre si. Durante uma etapa de carregamento, permite-se um fluxo de alimentação através do dispositivo de desalinhamento de supercapacitor. As substâncias iônicas no fluxo de alimentação são adsorvidas sobre a superfície dos eletrodos com cargas opostas, de forma a desionizar o fluxo de alimentação para produzir uma saída diluída. Durante uma etapa de descarga, as substâncias iônicas são dessorvidas da superfície dos eletrodos e para o fluxo de alimentação para produzir uma saída concentrada.

Além disso, íons que possuem a mesma carga dos eletrodos (denominados a seguir íons com cargas similares) estão presentes no interior do volume de poro do material poroso dos eletrodos. Durante a etapa de carregamento, após a aplicação da voltagem, alguns desses íons com cargas similares podem ser expelidos do eletrodo e adicionados ao fluxo de alimentação. Esta migração indesejada dos íons com volume de poro consome corrente adicional e agrega impurezas ao fluxo de alimentação. Nestes casos, a purificação do fluxo de alimentação somente pode ocorrer quando um excesso de íons de alimentação, íons superiores e acima que são expelidos dos volumes de poros, forem adsorvidos pelos eletrodos. Caso contrário, durante a etapa de descarregamento, além da dessorção dos íons com cargas opostas do eletrodo poroso para o fluxo de alimentação, alguns dos íons com cargas similares no fluxo de alimentação podem também ser adsorvidos no volume de poro. Embora a adsorção dos íons com cargas similares ocorra em todas as concentrações, ela fica pior em concentrações mais altas.

Pode ser desejável ter um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor diferente dos dispositivos disponíveis atualmente. Pode ser desejável ter um método de fabricação de um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor diferente dos métodos disponíveis atualmente.

Breve Descrição da Invenção

Segundo uma realização, é fornecido um conjunto de eletrodo. O conjunto inclui um eletrodo carregável configurado para adsorver íons com cargas opostas, em que o eletrodo compreende um material poroso. O conjunto inclui adicionalmente um material de troca de íons em contato com o material poroso do eletrodo carregável, em que o material de troca de íons possui carga similar ao eletrodo carregável e em que o material de troca de íons é permeável aos íons com cargas opostas e ao menos parcialmente impermeável aos íons com cargas similares.

Segundo uma realização, é fornecido um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor. O dispositivo inclui um par de eletrodos com cargas opostas. Pelo menos um dos eletrodos com cargas opostas compreende um material de troca de íons que é seletivamente permeável a íons carregados.

Segundo uma realização, é fornecido um método de fabricação de um conjunto de eletrodo. O método inclui a formação de uma mistura de um material de eletrodo e um material de troca de íons, liberação da mistura em um solvente para formar uma pasta e moldagem da pasta para formar o conjunto de eletrodo.

Segundo uma realização, é fornecido um método de fabricação de um conjunto de eletrodo. O método inclui a formação de uma mistura de um material de troca de íons e um aglutinante e revestimento da mistura sobre um eletrodo poroso.

Segundo uma realização, é fornecido um método de fabricação de um conjunto de eletrodo. O método inclui a formação de um material polimerizável e revestimento do material polimerizável sobre uma superfície de um eletrodo poroso para formar um revestimento de polímero.

Estas e outras características e aspectos são mais bem compreendidas quando a descrição detalhada a seguir é lida com referência às figuras anexas.

Breve Descrição das Figuras

A Fig. 1 é uma vista esquemática de um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor de acordo com realizações da presente invenção.

As Figs. 2 e 3 são vistas em seção cruzada de um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor de acordo com realizações da presente invenção.

A Fig. 4 é uma vista em seção cruzada de um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor de acordo com realizações da presente invenção.

As Figs. 5 a 7 ilustram etapas de processo de fabricação de um eletrodo que contém um material de troca de íons de acordo com realizações da presente invenção.

As Figs. 8 e 9 são representações gráficas de resultados de amostras testadas.

Descrição Detalhada da Invenção

Realizações do método do presente fornecem um conjunto de eletrodo para uso em aplicações de desalinhamento supercapacitivo. Também são fornecidas etapas de fabricação e uso do conjunto de eletrodo. O conjunto de eletrodo inclui um eletrodo carregável que pode absorver íons que possuem cargas opostas do eletrodo; e, quando a polaridade de carga do eletrodo for revertida, os íons carregados são repelidos do eletrodo e retornam para a solução.

Da forma utilizada no presente, a expressão "eletrodo carregável

designa um eletrodo que pode ser carregado mediante aplicação da voltagem. Da forma utilizada no presente, a expressão "volume de poro" designa volume ou espaços abertos no interior do material poroso. Da forma utilizada no presente, a expressão "etapa de carregamento" designa uma etapa durante a operação do dispositivo de desalinhamento de supercapacitor na qual os conjuntos de eletrodos, nomeadamente o conjunto de eletrodo positivos e o conjunto de eletrodo negativos, empregados no dispositivo são configurados para atrair e adsorver íons com cargas opostas do fluxo de alimentação para produzir uma saída diluída que possui concentração substancialmente menor de substâncias iônicas em comparação com o fluxo de alimentação de entrada. Da forma utilizada no presente, a expressão "etapa de descarga" designa uma etapa durante a operação do dispositivo de desalinhamento de supercapacitor no qual os conjuntos de eletrodos são configurados para dessorção das substâncias iônicas que foram adsorvidas pelo conjunto de eletrodo na etapa de carregamento. Da forma utilizada no presente, o termo "permeável" indica uma propriedade de um material que permite a passagem das substâncias iônicas através de uma camada ou um revestimento para atingir a superfície do eletrodo subjacente ao material. Da forma utilizada no presente, a expressão "material de troca de cátions" indica um material que possui carga negativa e permite a passagem dos cátions através dele, mas bloqueia ao menos parcialmente a passagem dos ânions através dele.

O eletrodo é fabricado com um material poroso que pode incluir substâncias iônicas com cargas similares, ou seja, as substâncias iônicas que possuem a mesma carga do eletrodo na etapa de carregamento do dispositivo de desalinhamento do supercapacitor. No caso de um eletrodo negativo, por exemplo, substâncias iônicas com cargas negativas estão presentes no volume de poro do eletrodo negativo. As substâncias iônicas com cargas similares podem ser dispostas em volumes de poros do material poroso que forma o eletrodo carregado. Na etapa de carregamento do dispositivo, permite-se que um fluxo de alimentação que possui impurezas iônicas flua entre um par de eletrodos carregados. Os eletrodos carregados são configurados para adsorção de íons com cargas opostas da alimentação por meio de interação iônica. Caso o eletrodo carregado seja um eletrodo positivo, por exemplo, o eletrodo carregado é configurado para adsorver ânions sobre a superfície.

O conjunto de eletrodo inclui adicionalmente um material de troca de íons em contato com o material poroso do eletrodo carregado. O material de troca de íons é permeável aos íons com cargas opostas presentes no fluxo de alimentação. Em uma realização, o material de troca de íons é ao menos parcialmente impermeável aos íons com cargas similares. Em outras palavras, o material de troca de íons evita a migração dos íons com cargas similares para os volumes de poros do material poroso do fluxo de alimentação durante a etapa de descarga e também elimina a possibilidade que íons com cargas similares deixem o eletrodo e escapem para o fluxo de alimentação durante a etapa de carga. Em uma realização, somente um dentre o eletrodo positivo ou o eletrodo negativo pode conter o material de troca de íons. Em outras realizações, o material de troca de íons pode ser disposto sobre os dois eletrodos.

Em uma realização, o material de troca de íons pode ser ao

menos parcialmente disposto no interior do corpo de um eletrodo. Nestas realizações, o material de troca de íons pode ser misturado com o material do eletrodo enquanto forma o eletrodo. Em uma realização, o material de troca de íons pode estar em uma faixa de 1% a 70% do peso total do material de eletrodo. Em um exemplo de realização, a quantidade do material de troca de íons é de 30% em peso do peso total do material de eletrodo. Em uma realização, o material de troca de íons compreende partículas que possuem um tamanho na faixa de 0,1 micrômetros a 10 micrômetros. Tamanho de partícula menor pode ser desejável quando o material de troca de íons for disposto no interior do eletrodo.

O material de troca de íons pode estar presente sobre toda a área de circunferência do eletrodo. Em outras realizações, o material de troca de íons pode estar presente somente em uma parte da área de circunferência do eletrodo. Em uma realização, o material de troca de íons pode estar presente na forma de uma ou mais camadas. A uma ou mais camadas do material de troca de íons podem ser depositadas diretamente sobre o eletrodo. Alternativamente, a uma ou mais camadas do material de troca de íons podem ser formadas separadamente e acopladas em seguida ao eletrodo. Além disso, a uma ou mais camadas podem possuir materiais de troca de íons idênticos ou diferentes.

Em uma realização, o eletrodo pode possuir um primeiro material de troca de íons disposto ao menos parcialmente no interior do eletrodo e uma camada de um segundo material de troca de íons disposto pelo menos sobre uma parte de uma superfície do eletrodo. Os primeiro e segundo materiais de troca de íons podem ser idênticos ou diferentes. Em outras realizações, um dos eletrodos pode possüir o material de troca de íons disposto no corpo do eletrodo e o outro eletrodo pode possuir o material de troca de íons disposto sobre a superfície do eletrodo.

A Fig. 1 é uma ilustração esquemática de um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor 10 em uma etapa de carregamento. O dispositivo 10 inclui conjuntos de eletrodos negativos e positivos 12 e 14, respectivamente. Cada um dos conjuntos de eletrodos 12 e 14 inclui um eletrodo carregado e um material de troca de íons. Um fluxo de alimentação 16, que contém substâncias iônicas como uma das impurezas, flui através dos conjuntos de eletrodos 12 e 14. Os conjuntos 12 e 14 na etapa de carregamento do dispositivo 10 adsorvem pelo menos uma parte da substância iônica para produzir uma saída diluída 34, que contém uma concentração mais baixa das substâncias iônicas em comparação com o fluxo de alimentação 16. Conforme ilustrado, o conjunto de eletrodo 12 inclui um eletrodo negativo 18 que é formado de um material poroso 20. O conjunto de eletrodo 12 inclui um material de troca de cátions 22 em contato com o material poroso 20 do eletrodo negativo 18.

Os materiais apropriados para o eletrodo negativo 18 podem incluir carbono, carvão ativado, grafite, partículas de carbono poroso, aerogel de carbono, nanotubos de carbono, tecido de carbono, fibras de carbono ou combinações de dois ou mais destes. Exemplos de cátions 30 podem incluir sódio, cálcio, magnésio, potássio e prótons. Na etapa de carregamento, os íons com carga similar, ou seja, os ânions 23 presentes no eletrodo negativo 18 experimentam forças repulsivas devido ao fato de que os ânions 23 e o eletrodo negativo 18 possuem cargas negativas. O material de troca de cátions 22 pode também estar parcialmente presente sobre a superfície do eletrodo negativo 18. Aplicando-se o material de troca de cátions 22, pode-se evitar a expulsão de pelo menos alguns dos ânions 23 originalmente presentes no eletrodo negativo 18 do eletrodo negativo 18. Os íons positivos livres presentes no material de troca de íons são configurados para união com os ânions 23, de forma a evitar que os ânions 23 deixem o eletrodo negativo 18. O material de troca de cátions 22 também adsorve os cátions 30 do fluxo de alimentação 16.

De forma similar, o conjunto de eletrodo positivos 14 inclui um eletrodo positivo 24 que contém um material poroso 26. O conjunto 14 inclui adicionalmente um material de troca de ânions 28 que está disposto no interior do corpo do eletrodo positivo 24. Da forma utilizada no presente, a expressão "material de troca de ânions" designa um material que possui carga positiva e permite a passagem dos ânions 32, mas bloqueia ao menos parcialmente a passagem dos íons com carga similar, ou seja, os cátions 25. Os materiais apropriados para o eletrodo positivo 24 podem incluir carbono, carvão ativado, grafite, partículas de carbono porosas, aerogel de carbono, nanotubos de carbono, tecido de carbono, fibras de carbono ou combinações de dois ou mais destes. Exemplos de ânions 32 podem incluir, mas sem limitações, cloro, íons de sulfato, íons de carbonato, íons de bicarbonato e íons de hidróxido. O material de troca de ânions 28 pode estar parcialmente presente sobre a superfície do eletrodo positivo 24. O material de troca de ânions 28 evita que os cátions 25 sejam expelidos do eletrodo positivo 24 devido a forças iônicas de repulsão.

Embora a realização contemplada no presente incorpore os

materiais de troca de íons 22 e 28 como sendo dispostos ao menos parcialmente no interior do corpo dos eletrodos 18 e 24, o material de troca de íons pode também estar presente na forma de uma camada sobre a superfície do eletrodo carregado, tal como o eletrodo negativo 18, o eletrodo positivo 24 ou ambos (Fig. 2). Nesta realização, o material de troca de íons pode ou não estar presente no corpo dos eletrodos 18 e/ou 24. Ao empregar-se o material de troca de íons na forma de um revestimento externo ou uma camada, pelo menos os eletrodos com cargas opostas adsorvem alguns dos cátions e ânions presentes no fluxo de alimentação. Desta forma, após a adsorção dos íons pelo material de troca de íons, os íons permeiam-se através do material de troca de íons e atingem a superfície dos eletrodos correspondentes. Como resultado, a superfície do material de troca de íons torna-se disponível para os íons no fluxo de alimentação seguinte. Durante a operação, as substâncias iônicas no eletrodo que possuem carga similar à carga do eletrodo podem ser repelidas devido a forças iônicas. Estes íons repelidos do eletrodo misturam-se com o fluxo de alimentação e aumentam a concentração iônica na saída diluída. Os íons livres presentes no material de troca de íons acoplam-se aos íons com cargas similares do eletrodo, que se encontram sob forças de repulsão, de forma a evitar que esses íons com cargas similares sejam expelidos do eletrodo.

Com relação agora à Fig. 2, é ilustrada uma realização de um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor. O dispositivo de desalinhamento de supercapacitor 36 inclui um conjunto de eletrodo 38 que é configurado para agir como um conjunto de eletrodo negativos na etapa de carregamento do dispositivo 36. O conjunto de eletrodo 38 inclui um eletrodo 40 que possui uma superfície 42. O eletrodo 40 possui carga negativa na etapa de carregamento do dispositivo 36. O conjunto 38 também inclui um material de troca de cátions na forma de uma camada de troca de cátions 44. Conforme ilustrado, essa camada de troca de cátions pode estar disposta sobre uma superfície do eletrodo 40, tal como a superfície 42 do eletrodo 40. Em uma realização, a camada de troca de cátions pode ser uma única camada. Em uma outra realização, a camada de troca de cátions pode ser uma combinação de duas ou mais camadas com materiais de troca de íons idênticos ou diferentes. Na realização ilustrada, o dispositivo 36 inclui ainda um conjunto de eletrodo positivos 46. O conjunto de eletrodo positivos 46 inclui um eletrodo positivo 48 que possui uma camada de troca de ânions 52 com uma superfície 50. A camada de troca de ânions 52 adsorve ânions 56 e evita ao menos parcialmente que os cátions 60 deixem o eletrodo positivo 48.

Com referencia agora à Fig. 3, é ilustrada uma vista em seção cruzada de um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor 62 que contém conjuntos de eletrodos 64 e 66. O conjunto de eletrodo negativos 64 inclui um eletrodo negativo 68 que contém um material de troca de cátions 70 disposto sobre a superfície 72 do eletrodo negativo 68. O material de troca de cátions 70 pode ser formado como uma camada ou uma membrana. De forma similar, o conjunto de eletrodo positivos 66 inclui um eletrodo positivo 74 e um material de troca de ânions 76 disposto sobre uma superfície 78 do eletrodo positivo 74. Os eletrodos 68 e 74 contêm os materiais de troca de íons 70 e 76 sobre todos os lados, ao contrário da realização ilustrada da Fig. 2, na qual os materiais de troca de íons 44 e 52 são dispostos apenas sobre o lado dos eletrodos 40 e 48 que é exposto ao fluxo de alimentação. Em uma realização, os eletrodos, tais como os eletrodos 40, 48,

68 e 74, podem ser empregados em estruturas empilhadas em um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor. Em estruturas empilhadas, uma série dos pares desses eletrodos pode estar disposta na forma de uma pilha. Além disso, um isolador pode estar disposto entre cada um dentre o par de eletrodos. Com o propósito de purificação de um líquido por meio de desionização, diversas dessas células podem ser configuradas na forma de uma pilha que possui disposições para entrada e saída de água. Em uma realização, o líquido de alimentação pode passar através da pilha mais de uma vez, ou seja, pode-se utilizar mais de uma iteração para desionizar o líquido até níveis permissíveis ou desejáveis de substâncias carregadas. Em uma realização, uma série de pares de eletrodos pode ser disposta em uma pilha, de tal forma que a saída de um par de eletrodos possa ser tratada como um líquido de alimentação para a outra célula. Desta forma, pode-se permitir a passagem do líquido através dos pares de eletrodos por várias vezes antes da saída.

A Fig. 4 ilustra uma realização de um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor 80. O dispositivo 80 inclui um par de conjuntos de eletrodos que possui um conjunto de eletrodo negativo 82 e um conjunto de eletrodo positivo 84. O conjunto de eletrodo negativo 82 inclui um eletrodo negativo 86 que contém um material de troca de cátions na forma de uma membrana 88 e o eletrodo positivo 84 inclui um eletrodo positivo 90 que contém um material de troca de ânions na forma de uma membrana 92. As membranas 88 e 92 são isoladas fisicamente entre si por meio do emprego de um isolador 94. Em uma realização, o polímero catiônico e aniônico dos materiais de troca de ânions e cátion 92, 88 pode ser revestido sobre dois separadores individualmente. Subseqüentemente, a aplicação de uma certa temperatura pode curar os polímeros. Em seguida, os separadores revestidos por polímero tônico podem ser dispostos ao lado de um espaçador 94 para formar um canal de fluxo. Este módulo que possui uma disposição de um separador-espaçador-separador pode ser disposto entre dois eletrodos para formar um par de conjuntos de eletrodos. A disposição de ter um módulo separado para materiais de troca de íons pode simplificar o processo de montagem. Adicionalmente, este projeto modular pode também ser conveniente para o fluxo e substituição do material de troca de íons do eletrodo. O projeto modular pode ser condutor para aumentar a flexibilidade dos componentes, ou seja, eletrodos e espaçador podem ser fabricados separadamente, os espaçadores são de manipulação mais leve e fácil que os eletrodos, pode-se aplicar uma série de métodos de revestimento, tais como revestimento por mergulhamento, revestimento com lâminas, revestimento por pulverização ou laminação, devido à flexibilidade do espaçador.

Exemplos de sistemas fabricados de acordo com esta realização geraram resultados de teste que indicam que a utilização de materiais de troca de íons resulta no aumento da eficiência de corrente e eficiência de energia dos dispositivos de deslinhamento do supercapacitor. Em uma realização, a resistência elétrica do material de troca de íons disposto sobre o eletrodo na forma de uma camada encontra-se em uma faixa de 0,1 Ohm/cm2 a 50 Ohm/cm2. Em uma realização, não existe voltagem aplicada ao material de troca de íons durante a operação do dispositivo. Além disso, podem ser atingidos aprimoramentos por meio de seleção de polímero do material de troca de íons. Uma combinação de materiais de troca de íons catiônicos e aniônicos pode gerar um resultado diferente em comparação com o emprego de apenas um dos materiais de troca de íons catiônicos ou aniônicos. O aumento da eficiência de energia e/ou corrente pode também ser atingido por meio de seleção da espessura ou percentual ideal, conforme venha a ser o caso, para o material de troca de íons no eletrodo. Em uma realização, a eficiência de corrente do dispositivo de

desalinhamento de supercapacitor encontra-se em uma faixa de 40% a 99%. A eficiência de corrente pode ser correlacionada à quantidade de material de troca de íons presente no conjunto de eletrodo. Exemplos de sistemas fabricados de acordo com a presente realização geraram resultados de teste, que indicaram que um aumento da quantidade de um material de troca de cátions empregado no conjunto de eletrodo resultou no aumento da eficiência de corrente. Nestes testes, o material de troca de cátions foi empregado sobre o eletrodo negativo na forma de um revestimento. Para o carregamento de material de troca de cátions de 0 a 5 mg/cm2, por exemplo, a eficiência de corrente é de 40%, para o carregamento de material de troca de cátions de 12,5 mg/cm2 a eficiência de corrente é de 55%, para o carregamento de material de troca de cátions de 37,5 mg/cm2 a eficiência de corrente é de 70% e para o carregamento de material de troca de cátions de 75 mg/cm a eficiência de corrente é de 75%. De forma similar, para eletrodo positivo, quando nenhum material

de troca de ânions for empregado, a eficiência de corrente é de 40%, enquanto ao empregar-se um material de troca de ânions na quantidade de 12,5 mg/cm a eficiência de corrente é apreciada como 50% e, quando o material de troca de ânions for aplicado em uma quantidade de 37,5 mg/cm2, a eficiência de corrente é de 60%. Quando o eletrodo negativo e o eletrodo positivo empregarem os materiais de troca de íons, a eficiência de corrente pode ser mais alta que nos casos em que apenas um dos eletrodos emprega um material de troca de íons. Em um exemplo, o emprego de um material de troca de íons de 37,5 mg/cm2 sobre o eletrodo positivo e o emprego da mesma quantidade de material de troca de cátions sobre o eletrodo negativo resulta em uma eficiência de corrente de mais de 80%.

Em uma realização, um ou mais polímeros condutores podem ser empregados como o material de troca de íons. Exemplos não limitadores desses polímeros condutores podem incluir polianilina, polipirrol, politiofeno e combinações de dois ou mais destes. Os derivados incluem os substitutos sulfônicos, cloreto, fluoreto, alquila, alcóxi e fenila. Os materiais condutores podem ser empregados na forma de revestimentos sobre o eletrodo positivo. Em outras realizações, um ou mais polímeros condutores iônicos

podem ser empregados como materiais de troca de íons. Exemplos não limitadores de polímeros condutores iônicos podem incluir um homopolímero, copolímero aleatório, copolímero de enxerto e/ou copolímero de bloco. O copolímero pode ser um produto de um ou mais monômeros iônicos ou não iônicos. Em uma realização, o monômero iônico pode incluir um ou mais monômeros aniônicos como material de troca de cátions. Em uma outra realização, o monômero iônico pode incluir um ou mais monômeros catiônicos como o material de troca de ânions. O material de troca de íons pode ser um produto de polímero de um ou mais monômeros iônicos. Exemplos de monômeros aniônicos incluem compostos tais como sulfonatos, fosfonatos, carboxilatos, boratos oü combinações de dois ou mais destes. Exemplos de monômeros catiônicos incluem sais de aminas primárias, aminas secundárias, aminas terciárias ou aminas quaternárias, imidazólios, guanidínios, piridínios ou combinações de dois ou mais destes. Exemplos não limitadores de monômeros não iônicos podem incluir estireno, acrilatos, metacrilatos, acrilamidas, vinil piridina, vinilpirrolidona, epóxis, aldeídos, cetonas, compostos hidroxialquila, siloxanos, uretano e combinações de dois ou mais destes. Os polímeros condutores iônicos podem ser um material

reticulado. Em um exemplo de realização, emprega-se um ácido poliestireno sulfônico reticulado como um material de troca de cátions. O ácido poliestireno sulfônico reticulado pode ser formado por meio da reação de sulfonato de estireno com Ν,Ν'-metileno bisacrilamida na presença de um iniciador. Exemplos não limitadores de iniciadores podem incluir azo bis isobutilonitrila e peróxido de benzoíla. A reação pode ser realizada em uma temperatura na faixa de 30 0C a 60 0C. Em seguida, pode-se aplicar um revestimento fino do ácido de polímero ab eletrodo. A camada de revestimento pode ser adicionalmente aquecida sob uma temperatura na faixa de 30 0C a 60 °C. Em um outro exemplo de realização, emprega-se um metacrilato de polidimetilaminoetila reticulado como um material de troca de ânions. O metacrilato de polidimetilaminoetila reticulado pode ser formado por meio da reação de metacrilato de dimetilaminoetila com Ν,Ν'-metileno bisacrilamida na presença de um iniciador. A reação pode ser realizada sob uma temperatura na faixa de 30 0C a 60 0C. Em seguida, pode-se aplicar um revestimento fino do polímero sobre o eletrodo. A espessura do revestimento pode estar em uma faixa de 0,0001 mm a 1 mm. A espessura do revestimento pode ser selecionada com base na condutividade elétrica desejada do material de troca de íons. Além disso, é desejável ter um material de troca de íons que seja anticorrosivo e estável em meio ácido e básico.

Em uma realização, a reação de uma amina com um epóxi e quaternização em seguida do produto de reação com um haleto elabora um polímero catiônico para uso como material de troca de ânions. Em uma realização, é formada uma mistura por meio da combinação de 4 ml de 5% trietileno tetra-amina (TETA) e 4 ml de solução aquosa de epóxi a 20%. A mistura é colocada sobre um eletrodo seco. O eletrodo é submetido a aquecimento, por exemplo, por meio de colocação em um forno sob temperatura de 100 0C. Esta etapa de colocação da mistura sobre o eletrodo e aquecimento do eletrodo pode ser repetida por várias vezes para controlar a quantidade de material de troca de cátions carregado sobre o eletrodo. Em uma realização, após o·aquecimento do eletrodo a uma temperatura de 100 0C por doze horas, o eletrodo é submetido a tratamento posterior para quaternizar os grupos amina. Em um exemplo de realização, a etapa de quaternização pode incluir a aplicação de uma solução de acetato de etila que contém 5 ml de 5% 1,4-dibromo-2,3-butanodiona sobre o eletrodo. Em uma outra realização, o eletrodo pode ser submetido a sulfonação para introduzir grupo sulfônico no material de troca de íons. Em seguida, a reação é mantida em processamento por trinta minutos. Subseqüentemente, o eletrodo pode ser enxaguado utilizando água de deionização posteriormente.

Com referência à Fig. 5, é ilustrado um método de fabricação de um revestimento de polímero de um material de troca de íons. Na realização ilustrada, o revestimento de polímero é formado por meio de polimerização in situ do monômero sobre um eletrodo. No bloco 96, é formado ou fornecido um material polimerizável. O material polimerizável pode incluir monômeros iônicos ou não iônicos, oligômeros iônicos ou não iônicos, polímeros iônicos ou não iônicos parcialmente polimerizados, polímeros iônicos ou não iônicos completamente polimerizados ou combinações de dois ou mais destes. Opcionalmente, ao fornecer o material polimerizável na forma de monômeros, oligômeros ou polímeros parcialmente polimerizados, podem também ser fornecidos um reticulante e/ou um iniciador (bloco 97). Em um exemplo de realização, o fornecimento do iniciador pode também incluir o fornecimento de uma forma de iniciação tal como aquecimento ou luz ultravioleta (UV). Exemplos não limitadores de reticulantes apropriados podem incluir divinilbenzeno e Ν,Ν'-metileno bisacrilamida. Exemplos não limitadores de iniciadores apropriados podem incluir azo bis-isobutilonitrila e peróxido de benzoíla.

Além disso, no bloco 98, a mistura de material polimerizável e, opcionalmente, reticulante e/ou iniciador é dissolvida em um solvente para formar uma pasta. A mistura pode ser dissolvida por meio de sonificação por alguns minutos. Exemplos não limitadores de solventes podem incluir água deionizada, etanol ou combinações de dois ou mais destes. Em uma realização, pode-se empregar uma mistura de água e etanol como solvente. A razão em peso de solvente na mistura pode variar de 10% a 90%. Além disso, gases tais como oxigênio presentes na pasta podem ser removidos borbulhando-se gases inertes, tais como argônio. No bloco 100, a pasta foi aquecida para facilitar a dissolução do material polimerizável, reticulante e iniciador na solução. O recipiente que contém a pasta pode ser aquecido dispondo-se o recipiente em um banho de óleo para aquecimento homogêneo. Em uma realização, a pasta foi aquecida até uma temperatura na faixa de 70 0C a 80 0C por um período de um a trinta minutos. A polimerização prévia é realizada para aumentar a viscosidade da pasta a 0,1 Pa.s.

Após a polimerização prévia, a pasta pode ser transferida para um outro recipiente. No bloco 102, a pasta previamente polimerizada é revestida sobre o eletrodo para formar uma camada do material de troca de íons. O revestimento pode ser realizado por meio de qualquer método de revestimento convencional, tal como modelagem, revestimento por mergulhamento ou impressão em tela. No bloco 104, a pasta é curada para formar um revestimento do material de troca de íons sobre o eletrodo. Durante ou após a cura do revestimento, uma parte do revestimento pode infiltrar-se no material poroso do eletrodo e formar um eletrodo composto em que o revestimento do material de troca de íons está presente sobre a superfície do eletrodo e uma parte do material de troca de íons está presente no interior do eletrodo. Em uma realização, a cura pode ser realizada colocando-se o eletrodo em um forno sob temperatura na faixa de 30 0C a 40 0C por um período de uma a seis horas. Em seguida, a temperatura do forno pode ser aumentada em uma faixa

de 50 0C a 70 0C.

A Fig. 6 ilustra um método de fabricação de um revestimento de material de troca de íons sobre um eletrodo com pó de resina de troca de íons. O método inclui o fornecimento de um pó de resina (bloco 106). O pó de resina pode ser disponível comercialmente. O tamanho de partícula da resina disponível comercialmente pode ser de 3 a 12 mm. Exemplos de resinas de troca de cátions disponíveis comercialmente podem incluir AMBERLITE IR-120, DOWEX 50 e DIAION SK-IA. Exemplos de resinas de troca de ânions disponíveis comercialmente podem incluir AMBERLITE IRA-400 e DIAION SA- 10A. No bloco 108, a resina pode ser processada para reduzir o tamanho de partícula para menos de cinqüenta micrômetros. Em uma realização, a resina pode ser submetida a moagem com bolas por um período de duas horas para atingir o tamanho de partícula previamente determinado. No bloco 110, forma- se uma suspensão da resina e água deionizada. Alternativamente, o emprego de um solvente apropriado pode formar a suspensão.

A razão em peso entre a resina e a água deionizada encontra-se em uma faixa de 1:1 a 1:5. No bloco 112, adiciona-se um aglutinante ou um material de matriz à suspensão para formar uma mistura. Exemplos de aglutinantes podem incluir politetrafluoroetileno (PTFE) ou fluoreto de polivinilideno (PVDF). O aglutinante pode ser adicionado em forma de emulsão em água. Além disso, a razão entre o aglutinante em peso e o peso da resina encontra-se em uma faixa de 1:0,05 a 1:0,02. Adicionalmente, a mistura é agitada por um período de cinco a dez minutos para homogeneizar a mistura. No bloco 114, a mistura homogeneizada é revestida sobre o eletrodo. O revestimento pode ser realizado empregando-se processos, tais como revestimento de fiação, revestimento por mergulhamento, revestimento com lâminas, revestimento por pulverização, laminação ou impressão com tela. No bloco 116, o revestimento é curado para secar o revestimento.

Em uma outra realização, o material de eletrodo é misturado com o material de troca de íons para formar o eletrodo, conforme ilustrado na Fig. 7. O método inclui o fornecimento de um pó de resina (bloco 118). O pó de resina pode ser disponível comercialmente conforme indicado acima com relação à Fig. 6. No bloco 120, o pó de resina pode ser processado para reduzir o tamanho de partícula. No bloco 122, adiciona-se um aglutinante e fonte de carbono ao pó de resina para formar uma mistura. Os aglutinantes podem incluir qualquer dos aglutinantes relacionados acima com relação à Fig. 6. Em seguida, no bloco 124, a adição de etanol à mistura forma uma pasta. A razão em peso entre a mistura e o etanol encontra-se em uma faixa de 1:1 a 1:5. Além disso, a pasta é agitada por um período de cinco a dez minutos para homogeneizar a mistura. No bloco 126, a pasta homogeneizada é revestida sobre o coletor de corrente para formar o eletrodo. O revestimento pode ser realizado empregando-se processos, tais como revestimento de fiação, revestimento por mergulhamento, revestimento com lâmina, revestimento por pulverização, laminação ou impressão com tela. Em uma realização alternativa, a pasta pode ser moldada na forma do eletrodo. No bloco 128, o eletrodo é curado para secar o eletrodo. Com referência às Figs. 8 e 9, uma pilha de sete células que

contém quatorze eletrodos é preparada e avaliada. Dimensão efetiva do eletrodo: 10 cm por 25 cm. Os pares de eletrodos conectados por condução elétrica são os n° 2 e 3, 4 e 5, 6 e 7, 8 e 9, 10 e 11 e 12 e 13. É aplicada uma potência DC com voltagem constante (7 V) entre o primeiro e o décimo-quarto eletrodo no carregamento. A extensão total do eletrodo é de 250 cm2 por eletrodo. O fluxo ao longo da concentração de alimentação de íons é de 1000 a 5000 ppm. Utiliza-se uma amplitude de pulso de dois segundos com um intervalo entre os pulsos de dez segundos. A capacitância da pilha é reduzida com a corrente de carregamento (velocidade de carregamento). Pode-se observar uma queda de 38% da capacitância de 100 mA a 500 mA. A resistividade dos eletrodos pode ser independente da corrente e concentração de alimentação. A resistência de acesso de íons em poros de materiais ativos como eletrodos pode ser a causadora. Maior volume de poros pode ser disponível para a absorção de íons em velocidade de carregamento mais baixa. Corrente de carregamento mais baixa pode aumentar a capacidade das células/pilha. Um perfil útil pode ser, portanto, uma corrente grande no início seguida por uma corrente menor ao final de um ciclo. Opcionalmente, um controlador (não exibido) pode fornecer uma corrente relativamente maior à série de eletrodos durante um primeiro modo de operação ou inicial e fornecer uma corrente relativamente menor à série de eletrodos durante um segundo modo de operação ou subsequente.

Em uma realização, o revestimento de um material de eletrodo ativo sobre duas partes da mesma superfície de uma rede coletora de corrente formará um eletrodo unilateral. O eletrodo unilateral pode ser dobrado em uma zona livre de material ativo localizada entre as duas partes revestidas e sobre uma camada à prova de íons, para formar um sanduíche com as duas partes do eletrodo unilateral. A camada à prova de íons pode ser, por exemplo, poliéster ou similar, disponível comercialmente por meio de fornecedores tais como a 3M, Inc. Desta forma, o eletrodo bipolar pode possuir duas superfícies ativas voltadas para fora distintas com uma camada à prova de íons, possivelmente à prova d'água, interposta. Um espaçador ou guia de canal de fluido é interposto entre um eletrodo bipolar e um outro eletrodo, de forma que cada eletrodo possa comunicar-se com o fluxo de fluido através do dispositivo. Em uma realização, pares de eletrodos alternativos são conectados eletricamente em série, enquanto os trajetos de fluxo de fluido definidos pelo 5 espaço, lacuna ou canal entre os eletrodos de um par de eletrodos são conectados em paralelo.

Embora a presente invenção tenha sido descrita em detalhes com relação a algumas realizações, a presente invenção não se limita às realizações descritas. Ao contrário, a presente invenção pode ser modificada 10 para incorporar qualquer número de variações, alterações, substituições, derivados ou disposições equivalentes não descritas acima, mas que sejam compatíveis com o escopo da presente invenção. Além disso, embora tenham sido descritas algumas realizações da presente invenção, deve-se compreender que aspectos da presente invenção podem incluir apenas 15 algumas das realizações descritas. Consequentemente, a presente invenção não deve ser considerada limitada pelo relatório descritivo acima, mas sim limitada apenas pelo escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. CONJUNTO DE ELETRODO, que compreende: um eletrodo carregável configurado para adsorção de íons com cargas opostas, em que o eletrodo compreende um material poroso; e - um material de troca de íons em contato com o material poroso do eletrodo carregável, em que o material de troca de íons é carregado de forma similar ao eletrodo carregável e em que o material de troca de íons é permeável aos íons com cargas opostas e ao menos parcialmente impermeável aos íons com carga similar.

2. CONJUNTO DE ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o material de troca de íons compreende uma camada disposta sobre uma superfície do eletrodo carregável.

3. CONJUNTO DE ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o material de troca de íons compreende um aglutinante.

4. CONJUNTO DE ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, em que a quantidade do material de troca de íons encontra-se na faixa de 1% em peso a 70% em peso do peso total de um material" de eletrodo.

5. CONJUNTO DE ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o material de troca de íons compreende partículas que possuem um tamanho na faixa de 0,1 micrômetros a 10 micrômetros.

6. CONJUNTO DE ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o conjunto é empregado em um dispositivo de desalinhamento de supercapacitor.

7. CONJUNTO DE ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, em que nenhuma voltagem é aplicada ao material de troca de íons durante a operação do dispositivo.

8. CONJUNTO DE ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o eletrodo carregável é um eletrodo negativo e em que o material de troca de íons é um material de troca de cátions configurado para evitar, ao menos parcialmente, a fuga de ânions do volume de poro do eletrodo e em que o material de troca de cátions é configurado para permitir a passagem de cátions através do material de troca de íons.

9. CONJUNTO DE ELETRODO, de acordo com a reivindicação 1, em que o eletrodo carregável é um eletrodo positivo e em que o material de troca de íons é um material de troca de ânions configurado para evitar ao menos parcialmente a fuga de cátions do volume de poro do eletrodo e em que o material de troca de ânions é configurado para permitir a passagem de ânions através do material de troca de íons.

10. DISPOSITIVO DE DESALINHAMENTO DE SUPERCAPACITOR, que compreende um par de eletrodos com cargas opostas, em que pelo menos um dos eletrodos com cargas opostas compreende um material de troca de íons que é seletivamente permeável a íons carregados.

11. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM CONJUNTO DE ELETRODO, que compreende: formação de uma mistura de um material de eletrodo e um material de troca de íons; liberação da mistura em um solvente para formar uma pasta; e moldagem da pasta para formar o conjunto de eletrodo.

12. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM CONJUNTO DE ELETRODO, que compreende: formação de uma mistura de um material de troca de íons e um aglutinante; e revestimento da mistura sobre uma superfície de um eletrodo poroso para formar um revestimento.

13. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM CONJUNTO DE ELETRODO, que compreende: - formação de um material polimerizável; e revestimento do material polimerizável sobre uma superfície de um eletrodo poroso para formar um revestimento de polímero.

14. SISTEMA, que compreende uma série de pares de eletrodos, em que cada eletrodo do par é separado por uma lacuna ou canal através do qual o fluxo pode fluir e pares de eletrodos alternados são conectados eletricamente em série, em que a lacuna ou canal é conectada em fluido em paralelo a uma outra lacuna ou canal.