BR122020015829B1

BR122020015829B1 - Separador adequado para uso em uma bateria de chumbo ácido, baterias de chumbo ácido, bateria de chumbo ácido inundada de carga seca e bateria de chumbo ácido inundada

Info

Publication number: BR122020015829B1
Application number: BR122020015829-8A
Authority: BR
Inventors: Eric H. Miller; J. Kevin Whear; Jeffrey K. Chambers
Original assignee: Daramic, Llc
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2022-04-19
Also published as: BR112015021457A2; PH12015501951B1; US11302991B2; BR112015021457B1; PH12015501951A1; US20220190435A1; US9991487B2; WO2014138516A1; US20140255789A1; US20180254461A1; ZA201506563B

Abstract

Um separador de bateria para uma bateria de chumbo ácido é resistente à oxidação, surgindo a partir do uso de água ou ácido contendo contaminantes, por exemplo, cromo (Cr), manganês (Mn), titânio (Ti), cobre (Cu) e similares. O separador é uma membrana microporosa incluindo uma borracha. A borracha é de não mais do que em torno de 12% em peso do separador. A borracha pode ser um látex de farelo de pneu, e combinações dos mesmos. A borracha pode ser impregnada na membrana microporosa. A membrana microporosa pode ser uma folha microporosa de poliolefina, cloreto de polivinila, resinas de fenolformaldeído, borracha de ligação reticulada, ou fibras não tecidas. Um método para prevenir a oxidação e/ou estender a vida da bateria do separador também é incluído.

Description

[0001] Este pedido reivindica o benefício do pedido provisório U.S. N° 61/774.160, depositado em 7 de março de 203, incorporado aqui como referência.

Campo da Invenção

[0002] A presente invenção é dirigida a um separador de bateria para baterias de chumbo ácido que são resistentes a uma oxidação surgindo do uso de contaminantes contendo água e/ou ácidos.

Antecedentes

[0003] Uma oxidação do separador, por exemplo, de separadores para baterias de chumbo ácido, reduz o ciclo de vida de uma bateria, e, desse modo, reduz a vida efetiva da bateria. A oxidação causa a fragilização (medida, por exemplo, por uma perda de % de alongamento) do separador, o que lâmina embutida em amostra a uma falha parcial ou completa da bateria.

[0004] Os contaminantes tipicamente se originam a partir da água e/ou do ácido sulfúrico adicionados a uma bateria, bem como a partir de impurezas nas ligas e nos materiais ativos que compreendem as placas de eletrodo, e podem causar oxidação. Esses contaminantes tipicamente incluem os metais de transação da tabela periódica, por exemplo: cromo (Cr), manganês (Mn), titânio (Ti), cobre (Cu) e similares. Os níveis de contaminante (por exemplo, Cr, Mn e/ou Ti) de mais do que em torno de 2,0 ppm [2,0 mg/L] não são recomendados. Os contaminantes de Cu maiores do que 26 ppm [26 mg/L] não são recomendados. Em baterias sem contaminantes (por exemplo, de Cr), o separador pode ter uma vida de em torno de 7 anos, mas com contaminantes (por exemplo, 5 ppm de Cr), o separador se deteriora em cerca de 6 meses.

[0005] Em algumas áreas do mundo, por exemplo, na Ásia, as baterias de chumbo ácido são vendidas como baterias de ‘carga seca’. Estas baterias de carga seca são compradas sem a água / o ácido incluído. A bateria de carga seca tem uma vida em estoque mais longa. Contudo o usuário pode não ser cuidadoso para preencher a bateria com água / ácido não contaminado. A água / o ácido contaminado levará a uma oxidação do separador e, finalmente, a uma falha da bateria. Os contaminantes na água / no ácido podem ser originados a partir de recipientes de água / ácido, por exemplo, tambores de aço.

[0006] A USPN5221587 expõe o uso de látex no separador para se evitar um envenenamento por antimônio (Sb) da bateria de chumbo ácido. Um envenenamento por antimônio não causa uma oxidação de separador; ao invés disso, um envenenamento por antimônio causa perda de água a partir do eletrólito. O antimônio é originado a partir das placas de chumbo (eletrodos) da bateria. O antimônio é usado como um agente de formação de liga no chumbo para melhoria da fabricação das placas e do ciclo de vida da bateria. Aqueles de conhecimento comum não considerariam os ensinamentos da USPN5221587 para chegarem a uma solução do problema de oxidação de separador mencionado acima.

[0007] A USPN6242127 expõe o uso de borracha porosa curada em um separador de poliolefina convencional, para melhoria das propriedades eletroquímicas (supressão de antimônio) do separador.

Sumário da Invenção

[0008] Um separador de bateria para uma bateria de chumbo ácido é resistente a uma oxidação surgindo a partir do uso de contaminantes contendo água ou ácido, por exemplo, cromo (Cr), manganês (Mn), titânio (Ti), cobre (Cu) e similares, e as combinações dos mesmos. O separador é uma membrana microporosa que inclui uma borracha. A borracha não é em torno de 12% em peso da membrana microporosa. A borracha pode ser látex de borracha, farelo de pneu, e combinações dos mesmos. A borracha pode ser impregnada na membrana microporosa. A membrana microporosa pode ser uma folha microporosa de poliolefina, cloreto de polivinila, resinas de fenolformaldeído, borracha de ligação reticulada, ou fibras não tecidas sintéticas. Um método para prevenção da oxidação do separador também é incluído.

Descrição dos Desenhos

[0009] Para fins de ilustração da invenção, é mostrada nos desenhos uma forma que é presentemente preferida, sendo entendido, contudo, que esta invenção não está limitada aos arranjos precisos e às instrumentalidades mostradas.

[0010] A figura 1 é uma comparação gráfica da resistência à oxidação apresentada como % de alongamento como uma função de horas, de um separador inventivo (B) com outros separadores conhecidos, quando os separadores forem submetidos a uma água contendo 4,7 ppm de cromo (Cr).

[0011] A figura 2 é uma comparação gráfica da resistência à oxidação apresentada como % de alongamento como uma função de horas, de um separador inventivo (G) com outros separadores conhecidos, quando os separadores forem submetidos a uma água contendo 4,7 ppm de cromo (Cr).

Descrição da Invenção

[0012] As baterias de chumbo ácido são bem conhecidas, veja, por exemplo, Linden, Handbook of Batteries, 2nd Edition, McGraw-Hill, Inc. New York, NY (1995) e/ou Besenhard, Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Alemanha (1999), ambos incorporados aqui como referência. Em uma modalidade, o separador, descrito aqui adiante, pode ser usado em uma bateria de chumbo ácido. A bateria pode ser, por exemplo, uma bateria inundada, de armazenamento, ISS, EFB, carbono ou de chumbo ácido de carga seca, por exemplo, com separadores de estilo de folha, de pedaço, de receptáculo ou de envelope, com ou sem um feltro de fibra de vidro.

[0013] A inclusão de borracha (discutida abaixo) com o separador da bateria de chumbo ácido pode evitar ou reduzir a borracha do separador causada por contaminantes, tais como Cr, Mn, Ti e similares, e, desse modo, aumentar os ciclos de vida de baterias.

[0014] Os separadores, conforme usado aqui, referem-se a membranas microporosas. Esses separadores são bem conhecidos, conforme demonstrado com referência a Besenhard, Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Alemanha (1999), incorporado aqui como referência. As membranas microporosas podem ser feitas a partir de: folhas de poliolefina (por exemplo, polietileno, polipropileno, polietileno de peso molecular ultra-alto (UHMWPE), e combinações dos mesmos), cloreto de polivinila (PVC), resinas de fenolformaldeído (incluindo, por exemplo, resinas celulósicas e/ou sintéticas impregnadas com fenolformaldeído), borracha de ligação reticulada, ou não tecidos (por exemplo, fibras inertes incluindo fibras celulósicas ou fibras de vidro). Em uma modalidade, as membranas microporosas podem ser feitas a partir de polietileno, UHMWPE, ou de uma combinação de ambos. Em uma outra modalidade, a membrana microporosa é uma poliolefina (uma poliolefina sendo um PE de peso molecular alto e/ou um PE de peso molecular ultra-alto / enchimento (por exemplo, um enchimento de sílica) / óleo de processamento, em que a poliolefina / o enchimento / o óleo de processamento são misturas e, então, extrudados em um precursor (por exemplo, uma folha plana), então, calandrados para a criação de um perfil (por exemplo, nervuras) e, então, o óleo de processamento é extraído dali. As membranas microporosas podem ter um perfil nervurado. As nervuras podem ser convencionais, por exemplo, correndo na direção de máquina (MD) no lado do eletrodo positivo (por exemplo, para, dentre outras coisas, separar o separador do eletrodo positivo, e formar canais de gás que permitem que um gás escape e promova a mistura durante condições de sobrecarga), mas as nervuras também podem se estender na direção de máquina transversal (CMD) no lado até o eletrodo negativo (para retardar uma estratificação de ácido).

[0015] Uma borracha, conforme usado aqui, refere-se a látex de borracha, farelo de pneu e combinações dos mesmos. Em uma modalidade, a borracha pode ser uma borracha não de ligação reticulada ou não curada. Em uma outra modalidade, o látex de borracha pode ser látex de borracha natural ou sintética. Em uma outra modalidade, a borracha pode ser látex de borracha natural. Em ainda uma outra modalidade, a borracha pode ser de farelo de pneu. As borrachas naturais podem incluir, por exemplo, qualquer grau (tais como graus de látex), tal como folha defumada nervurada, crepes brancos e pálidos, crepes de peça básica puros ou reusinados, crepes marrons espessos ou âmbares, e crepes de cortiça planos. As borrachas naturais podem incluir borrachas de seringueira. As borrachas sintéticas podem incluir, por exemplo, borracha de metila, polibutadieno, borrachas de cloropreno e borrachas de copolímero. As borrachas de copolímero podem incluir, por exemplo, borrachas de estireno / butadieno, borrachas de acrilonitrila / butadieno, borrachas de etileno / propileno (EPM e EPDM), e borrachas de etileno / acetato de vinila. Outras borrachas podem incluir, por exemplo, borracha de butila, borracha de bromobutila, borracha de poliuretano, borracha de epicloroidrina, borracha de polissulfeto, borracha de clorossulfonila, borracha de polinorboreno, borracha de acrilato, borracha fluorada, borracha de isopreno e borracha de silicone. Estas borrachas podem ser usadas sozinhas ou em várias combinações.

[0016] Em uma modalidade, a borracha pode ser impregnada na membrana microporosa. Impregnada, conforme usado aqui, significa que a borracha é incorporada no corpo da membrana microporosa, e não é uma camada formada na membrana microporosa. Assim, a borracha pode ser misturada ou combinada em um ou mais dos materiais usados para a formação da membrana microporosa. A borracha, por exemplo, o látex, ainda é quimicamente ativa (isto é, não curada e/ou não de ligação cruzada) após uma extrusão. Assim, a borracha é um componente integral com, ou distribuído dentro, ou uniformemente combinado completamente, ou combinado intimamente nos materiais da membrana microporosa.

[0017] A borracha, conforme descrito acima, pode compreender qualquer porção da membrana microporosa. Em uma modalidade, a borracha pode compreender não mais do que em torno de 12% em peso da membrana microporosa, quando adicionada à formulação (isto é, ‘em peso’ das matérias- primas antes da extrusão). Em uma outra modalidade, a borracha pode compreender em torno de 1 a 12% em peso da membrana microporosa. Em uma outra modalidade, a borracha pode compreender de em torno de 1,2 a 6% em peso da membrana microporosa. Em ainda uma outra modalidade, a borracha pode compreender de em torno de 2 a 4% em peso da membrana microporosa. Em ainda uma outra modalidade, a borracha pode compreender de em torno de 2,5 a 3,5% em peso da membrana microporosa. Em uma outra modalidade, a borracha pode compreender em torno de 3% em peso da membrana microporosa.

[0018] A membrana microporosa pode ser feita de qualquer forma convencional. Esse processamento é bem conhecido, conforme demonstrado com referência a Besenhard, Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Alemanha (1999), incorporado aqui como referência. Por exemplo, em um separador de PE (membrana microporosa), a borracha, por exemplo, o látex, pode ser misturada com o óleo de processamento e misturada com o PE, durante uma extrusão. A mistura então é extrudada em um precursor (isto é, uma folha plana). Depois disso, o precursor é calandrado para a criação de um perfil, por exemplo, nervuras (conforme é convencional). Então, o óleo de processamento é extraído da folha perfilada, desse modo se criando a membrana microporosa. A folha microporosa pode ser submetida a etapas de processamento adicionais, conforme é convencional na técnica de fabricação de separadores para baterias de chumbo ácido.

Exemplos

[0019] O que vem a seguir é uma comparação dos separadores inventivos (Amostras B e G) com outros separadores. Os separadores são comparados com base em % de alongamento (uma medida de fragilização, ensaio convencional) versus tempo (horas). O % de alongamento é medido conforme estabelecido na ASTM D882. O separador de PE se refere a um separador convencional em que poliolefina / enchimento / óleo de processamento são misturados e extrudados em um precursor plano, calandrados para a criação de um perfil, e, então, o óleo de processamento é extraído dali, conforme é conhecido na técnica. A diferença entre 4,7 ppm e 4,5 ppm de Cr é imaterial.

[0020] A presente invenção pode ser concretizada em outras formas, sem se desviar do espírito e dos atributos essenciais da mesma, e, assim sendo, uma referência deve ser feita às reivindicações em apenso, ao invés de ao relatório descritivo precedente, como indicando o escopo da invenção.

Claims

1. Separador adequado para uso em uma bateria de chumbo ácido caracterizado pelo fato de compreender: uma membrana microporosa compreendendo um ou mais do grupo que consiste em poliolefina, cloreto de polivinila (PVC), resinas de fenolformaldeído, borracha sem ligações cruzadas ou não curada, fibras não-tecidas, e combinações dos mesmos; em que a referida membrana microporosa é adequada para uso em um eletrólito compreendendo água e ácido; em que o referido eletrólito compreende ainda um ou mais contaminantes, os referidos um ou mais contaminantes sendo um ou mais selecionados do grupo que consiste em cromo, manganês, titânio, cobre, e combinações dos mesmos.

2. Separador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da referida borracha sem ligações cruzadas ou não curada ser selecionada a partir do grupo que consiste em látex de borracha, farelo de pneu e combinações dos mesmos.

3. Separador, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato da referida borracha sem ligações cruzadas ou não curada estar em uma quantidade de não mais do que 12% em peso da referida membrana microporosa.

4. Separador, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato da referida borracha sem ligações cruzadas ou não curada estar em uma quantidade de pelo menos 2% em peso da referida membrana microporosa a 4% em peso da referida membrana microporosa.

5. Separador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da membrana microporosa compreender ainda um primeiro conjunto de nervuras em uma primeira superfície, e um segundo conjunto de nervuras em uma segunda superfície.

6. Separador, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do referido primeiro conjunto de nervuras estar em uma direção de máquina relativa à referida membrana microporosa.

7. Separador, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do referido segundo conjunto de nervuras estar em uma direção de máquina transversal relativa à referida membrana microporosa.

8. Separador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da referida borracha sem ligações cruzadas ou não curada ser impregnada na referida membrana microporosa.

9. Separador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da referida poliolefina ser uma ou mais do grupo que consiste em polietileno, polipropileno, polietileno de alto peso molecular (HMWPE), polietileno de peso molecular ultra-alto (UHMWPE), e combinações dos mesmos.

10. Separador, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato da referida membrana microporosa compreender sílica.

11. Bateria de chumbo ácido caracterizada pelo fato de compreender: um eletrólito compreendendo um ou mais contaminantes, o referido um ou mais contaminantes sendo um ou mais selecionados do grupo que consiste em cromo, manganês, titânio, cobre e combinações dos mesmos; uma membrana microporosa compreendendo um ou mais do grupo que consiste em poliolefina, cloreto de polivinila (PVC), resinas de fenolformaldeído, borracha sem ligações cruzadas ou não curada, fibras não-tecidas, fibras sintéticas, fibras celulósicas, e combinações dos mesmos.

12. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato da referida borracha sem ligações cruzadas ou não curada ser selecionada a partir do grupo que consiste em látex de borracha, farelo de pneu e combinações dos mesmos.

13. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato da referida borracha sem ligações cruzadas ou não curada estar em uma quantidade não mais do que 12% em peso da referida membrana microporosa.

14. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato da referida borracha sem ligações cruzadas ou não curada estar em uma quantidade de pelo menos 2% em peso da referida membrana microporosa a 4% em peso da referida membrana microporosa.

15. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato da referida membrana microporosa compreender ainda um primeiro conjunto de nervuras em uma primeira superfície, e um segundo conjunto de nervuras em uma segunda superfície.

16. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato do referido primeiro conjunto de nervuras estar em uma direção de máquina relativa à referida membrana microporosa.

17. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato do referido segundo conjunto de nervuras estar em uma direção de máquina transversal relativa à referida membrana microporosa.

18. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato da referida borracha sem ligações cruzadas ou não curada ser impregnada na referida membrana microporosa.

19. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato da referida poliolefina ser uma ou mais do grupo que consiste em polietileno, polipropileno, polietileno de alto peso molecular (HMWPE), polietileno de peso molecular ultra-alto (UHMWPE), e combinações dos mesmos.

20. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato da referida membrana microporosa compreender sílica.

21. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato da bateria ser uma bateria de chumbo ácido inundada.

22. Bateria de chumbo ácido, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato da bateria ser uma bateria de chumbo ácido inundada de carga seca.

23. Bateria de chumbo ácido inundada de carga seca, caracterizada pelo fato de compreender o separador como definido na reivindicação 1.

24. Bateria de chumbo ácido inundada, caracterizada pelo fato de compreender o separador como definido na reivindicação 1.