BRPI0809228B1 - Bateria de Chumbo Ácido - Google Patents
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Description
(54) Título: BATERIA DE CHUMBO ÁCIDO (73) Titular: COMMONWEALTH SCIENTIFIC AND INDUSTRIAL RESEARCH ORGANISATION, Sociedade Australiana. Endereço: Limestone Avenue Campbell, Australian Capital Territory 2612, AUSTRÁLIA(AU); THE FURUKAWA BATTERY CO., LTD.. Endereço: 4-1, Hoshikawa 2-Chome, Hodogaya-Ku, Yokohama-Shi, Kanagawa 240-0006, JAPÃO(JP) (72) Inventor: LAN TRIEU LAM; JUN FURUKAWA; TOSHIMICHI TAKADA; DAISUKE MONUA; TETSUYA KANOU
Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 02/10/2018, observadas as condições legais
Expedida em: 02/10/2018
Assinado digitalmente por:
Liane Elizabeth Caldeira Lage
Diretora de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados
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BATERÍA de chumbo acido
Fundamento relaciona-se invenção aos [001] A presente dispositivos de armazenamento de energia, incluindo baterias, tais como baterias de chumbo ácido.
[002] Há uma demanda crescente para o desenvolvimento e a introdução de veículos gue não se baseiam guase inteiramente em combustíveis fósseis, para combater a poluição do ar em ambientes urbanos e para reduzem o consumo global de fontes limitadas dos combustíveis fósseis. Tais veículos caem em três classes principais: veículos de célula combustível (FCVs), veículos elétricos (EVs), veículos elétricos híbridos (HEVs). Há diversos tipos de veículos elétricos híbridos, especificamente, micro, leve, médio e híbrido completo, voltagem da bateria dos veículos elétricos híbridos aumenta na ordem de: 12 V em micro híbrido, 36 V em híbrido leve, 144 V em híbrido médio e mais de 200 V em híbrido completo. Por outro lado, a capacidade de bateria diminui na ordem de: 180000-216000 C em micro híbrido, 54000-72000 C em híbrido leve, 2160028800 C em híbrido médio e 21600 C em híbrido completo.
[003] Os veículos elétricos e os veículos elétricos híbridos podem usar uma variedade de tipos de bateria diferentes, incluindo baterias de chumbo ácido. Os veículos elétricos híbridos micro e leve podem usar principalmente baterias de chumbo ácido por causa do custo reduzido. Os veículos elétricos híbridos se baseiam em uma combinação de um motor a combustão interna e uma bateria para fonte de energia. Os veículos elétricos híbridos fornecem algumas vantagens sobre os carros de motor a combustão interna
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 19/51 / 32 existentes, incluindo uso maior da energia eletricamente gerada, resultando em menores emissões e menos consumo de combustível.
[004] Enquanto houve muitos avanços significativos no desenvolvimento de novas baterias e redes de energia para
| veículos | se | baseando | pelo | menos em parte | na energia |
| elétrica, | as | baterias | usadas | nestes veículos | ainda sofrem |
| de vários | problemas. | ||||
| [005] | Em | todas | estas | baterias, as | exigências |
diferentes são colocadas na bateria em termos da corrente extraída e recarregada à bateria em vários estágios durante o funcionamento do veículo. No caso de aplicações de veículo, como um exemplo, uma taxa elevada de descarga é necessária da bateria para permitir a aceleração em veículos elétricos, ou a aceleração, bem como o arranque do motor em veículos elétricos híbridos. Uma taxa elevada de recarregamento da bateria está associada com a frenagem regenerativa. Em tais aplicações de taxa elevada (e em aplicações de alto carregamento para baterias) a bateria preferivelmente precisa ser capaz de fornecer a alta taxa de descarga durante 1 minuto ou mais.
[006] Na situação onde as baterias de chumbo ácido são utilizadas, particularmente em veículos elétricos híbridos, a taxa elevada de descarregamento e recarregamento de bateria resulta na formação de uma camada de sulfato de chumbo na superfície da placa negativa, e a geração de hidrogênio/oxigênio nas placas negativa e positiva. Isto amplamente surge como um resultado de altas exigências de corrente na bateria. As condições de estado de carga parciais (PSoC) sob as quais estas baterias geralmente
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3/32 operam são 20-100% para veículos elétricos, 40-70% para veículos elétricos híbridos médios e completos, e 70-90% para veículos elétricos híbridos micros e leves. Esta é um estado de carga parcial de taxa elevada (HRPSoC). Sob função de HRPSoC simulada, tal como operações de veículo elétrico híbrido, as baterias de chumbo ácido prematuramente falharam principalmente devido à acumulação progressiva de sulfato de chumbo nas superfícies das placas negativas. Isto ocorre porque o sulfato de chumbo não pode ser convertido eficientemente de volta ao chumbo de esponja durante o carregamento da frenagem regenerativa ou do motor. Eventualmente, esta camada de sulfato de chumbo desenvolve a tal ponto que a área de superfície eficaz da placa é marcadamente reduzida, e a placa não pode mais liberar a corrente mais elevada exigida do automóvel. Isto reduz significativamente a vida útil potencial da bateria.
[007] Em outros campos da tecnologia, seria vantajoso fornecer tipos alternativos de bateria que oferecem vida útil total e desempenho melhorados enquanto abastecem para as exigências de energia diferentes na bateria.
[008] Consequentemente, existe uma necessidade para baterias modificadas, tais como baterias de chumbo ácido, que têm uma vida útil melhorada e/ou desempenho total melhorado comparado às baterias atuais. Há também uma necessidade de identificar componentes da bateria que podem ser modificados para melhorar o desempenho, em termos de um balanço de capacidade e vida útil.
Sumário da invenção [009] De acordo com um aspecto, é fornecida uma bateria de chumbo ácido compreendendo:
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4/32 pelo menos um eletrodo negativo compreendendo o material de eletrodo de bateria a base de chumbo e pelo menos uma região de material de capacitor sobrepondo o material de eletrodo de bateria a base de chumbo, cada eletrodo estando em conexão elétrica a um terminal externo de bateria,
- pelo menos um eletrodo de bateria a base de dióxido de chumbo positivo, cada eletrodo positivo estando em conexão elétrica a um segundo terminal externo da bateria,
- separador intercalando os eletrodos de face um ao outro, e eletrólito preenchendo pelo menos o espaço dos eletrodos e separadores em que o material de capacitor sobrepondo o material de eletrodo de bateria a base de chumbo compreende 20-65% por peso de um material carbonado de alta condutividade elétrica, 30-70% de um material carbonado de alta área de superfície específico, chumbo e aglutinante.
[010] Preferivelmente o teor de chumbo no material de capacitor é pelo menos 0,1% por peso.
[011] Preferivelmente o aglutinante é presente em uma quantidade entre 1-30% por peso, preferivelmente 5 e 20% por peso.
[012] O material de capacitor pode ainda compreender o material de reforço de fibra em uma quantidade de 0 a 10% por peso.
[013] De acordo com uma modalidade, o material de capacitor consiste de 21-65% de material carbonado de alta condutividade elétrica, 35-65% de material carbonado de alta área de superfície específico, 3-40% de chumbo, 5-20%
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5/32 de aglutinante e 2-10% de material de reforço de fibra.
[014] Descobriu-se que a configuração de camada fornece o funcionamento ótimo da bateria, particularmente com as quantidades de materiais carbonados no material de capacitor descrito acima. Além disso, descobriu-se que o material de capacitor de cada eletrodo negativo deve constituir entre 1 e 15% por peso do material de eletrodo de bateria negativa. Abaixo de 1% é insuficiente para exigências de desempenho mínimas do dispositivo. Acima de 10% descobriu-se que a saturação é alcançada, tal que o aumento de peso adicional não aumenta adicionalmente o desempenho. Não obstante, além da consideração de custo e peso, um aumento na massa de material de capacitor acima de 10% é aceitável a um nível de aproximadamente 15%.
[015] Descobriu-se que a configuração camada fornece a área substancial de interface coesiva entre o material de capacitor e o material de bateria que é formada através da reação com o material de bateria de chumbo e o material de capacitor carbonado, resultando em força mecânica melhorada e resistência elétrica reduzida do eletrodo. Junto com estes efeitos benéficos, um teor maior de chumbo no material de capacitor é transferido durante o funcionamento do material de bateria entrando em contato diretamente com o material de capacitor que controla o potencial de eletrodo o suficiente para comprimir a gaseificação.
[016] Descobriu-se que para o funcionamento mais eficaz, uma camada de material de capacitor sobrepõe todas as áreas eficazes do eletrodo negativo que fica de frente a um eletrodo positivo. Geralmente, os eletrodos negativos em baterias de chumbo ácido compreendem um coletor de corrente
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6/32 (que pode estar sob a forma de uma grade) , que é revestido em ambas as faces com o material de eletrodo de bateria a base de chumbo. Embora somente as partes ou faces únicas do eletrodo negativo podem ser sobrepostas pelo material de capacitor, prefere-se que o eletrodo negativo compreenda um coletor de corrente revestido com o material de bateria de chumbo ácido, e uma camada de material de capacitor sobrepondo cada face do material de bateria de chumbo ácido que está oposta a um eletrodo positivo.
[017] Nota-se que durante a produção, antes da aplicação do material de capacitor no eletrodo negativo revestido de material de eletrodo de bateria negativo, este eletrodo pode ser formado ou não formado.
[018] Preferivelmente, o material de capacitor sobrepondo o material de eletrodo de bateria a base de chumbo tem uma porosidade entre 50-90%.
[019] De acordo com uma modalidade, o eletrodo positivo geralmente compreenderá um coletor de corrente positivo (que pode estar sob a forma de uma grade) , formado de uma liga de chumbo. Preferivelmente a liga de chumbo compreende 0,005-0,015% por peso de Ba, 0,03-0,08% por peso de Ca, 0,4-2,2% por peso de Sn, e chumbo. Preferivelmente o chumbo constitui o balanço do material de liga. Este material de liga é o mais apropriado, pois tem a resistência à corrosão elevada para baterias do tipo reivindicado.
[020] A bateria pode ser uma bateria de chumbo ácido regulada por válvula. Preferivelmente neste tipo de bateria a bateria compreende separadores de microfibra de vidro absorvente ou manta de vidro absorvente (AGM) entre os
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7/32 eletrodos adjacentes. Além disso, a bateria de chumbo ácido regulada por válvula tem preferivelmente uma pressão nos eletrodos entre 20 e 100 kPa.
[021] Quando a bateria é do tipo chumbo ácido regulada por válvula, esta é preferivelmente operada entre 95-60% de estado de carga (SoC), mas pode estar entre 95-30% de SoC.
[022] A bateria pode ser do tipo inundada de eletrólito. Neste caso, prefere-se que a pressão nos eletrodos esteja entre 5 e 45 kPa. Nesta modalidade, prefere-se que os separadores de polímero poroso, tais como separadores de membrana de polietileno porosa estejam situados entre os eletrodos positivo e negativo adjacentes. Os separadores de polietileno poroso podem opcionalmente compreender o reforço de material fibroso não tecido.
[023] Quando a bateria é do tipo inundada de eletrólito, é preferivelmente operada entre 98-80% de SoC. Em aplicações automotivas, o veículo preferivelmente compreende a bateria inundada de eletrólito, o motor a combustão interna e um alternador, e fornece eletricidade ao veículo por operações de repouso, parada e início.
[024] Preferivelmente, a bateria de chumbo ácido compreende uma série alternante de eletrodos positivos e negativos.
Breve descrição dos desenhos [025] A Figura 1 é uma vista lateral esquemática de uma bateria de chumbo ácido de acordo com uma modalidade da invenção.
[026] A Figura 2 é uma vista plana esquemática da bateria de chumbo ácido da Figura 1.
Descrição detalhada da invenção
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8/32 [027] A presente invenção será descrita agora em detalhe adicional em referência às modalidades preferidas da invenção.
[028] Para evitar qualquer dúvida, exceto onde o contexto exige de outra maneira devido à linguagem expressa ou implicação necessária, a palavra compreende ou variações, tais como compreendem ou compreendendo é usado em um sentido inclusivo, isto é, para especificar a presença das características indicadas, mas não impossibilitar a presença ou a adição de características adicionais em várias modalidades da invenção.
Características gerais [029] O termo bateria de chumbo ácido é usado em seu sentido mais amplo para englobar qualquer unidade contendo uma ou mais células de bateria de chumbo ácido.
[030] As baterias de chumbo ácido descritas contêm pelo menos um eletrodo negativo compreendendo um revestimento de material de eletrodo de bateria a base de chumbo e pelo menos uma região sobrejacente de material de capacitor, e pelo menos um eletrodo positivo a base de dióxido de chumbo.
Estrutura de eletrodo [031] Os eletrodos geralmente compreendem um coletor de corrente (conhecido de outra forma como uma grade ou placa), com o material de eletrodo de bateria ativo aplicado ao mesmo. O material de eletrodo de bateria ativo é mais geralmente aplicado em uma forma de pasta ao coletor de corrente, e no presente relatório descritivo o termo pasta se aplica a todo material ativo contendo composições aplicadas em qualquer maneira ao coletor de corrente. O
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9/32 termo baseado usado no contexto de eletrodos é pretendido referir-se ao material de eletrodo ativo. Este termo é usado para evitar sugerir que o eletrodo é inteiramente formado do material ativo, como este não é o caso. 0 termo é também pretendido indicar que o material ativo do dado eletrodo pode conter aditivos ou materiais diferentes do material ativo especificamente mencionado.
Eletrodos [032] Os eletrodos negativos e positivos (antes da aplicação do material de capacitor) podem ser de qualquer arranjo ou tipo apropriado para uso em uma batería de chumbo ácido. Geralmente, tais eletrodos estão na forma de um coletor de corrente ou grade de metal (geralmente feita de chumbo ou liga de chumbo) que suporta o material eletroquimicamente ativo (chumbo ou dióxido de chumbo) que é colado na grade. A operação de colocação da pasta é conhecida no campo. Deve ser notado que, antes da formação da bateria, o material ativo pode não estar na forma ativa (isto é, pode não estar na forma do metal, ou na forma de dióxido). Assim, os termos englobam aquelas outras formas que são convertidas ao metal de chumbo ou ao dióxido de chumbo quando a bateria é formada.
Liga de coletor de corrente (grade) [033] A vida útil do dispositivo é primeiramente controlada pelo eletrodo positivo, o substrato do qual pode estar exposto à corrosão potencial. A corrosão resulta em aumento de resistência interna, crescimento ou deformação de fluência de grade, que resulta na falta de bateria ou perda da integridade do dispositivo, e finalmente destruição da estrutura de eletrodo.
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 27/51 / 32 [034] Para evitar estes problemas, descobriu-se que é vantajoso usar a seguinte liga para o coletor de corrente de eletrodo positivo ou grade: 0,05-0,08% de cálcio, 1-2% de estanho, opcionalmente bário, e o balanço de chumbo (por peso).
[035] O coletor de corrente de eletrodo negativo ou grade preferivelmente compreendem 0,06-0,12% por peso de cálcio, 0-1% por peso de estanho, e balanço de chumbo, ou 1-2% de estanho, com o balanço de chumbo, ou chumbo sozinho. Material de capacitor [036] O material de capacitor é aplicado a pelo menos uma região do eletrodo negativo, sobrepondo o material de eletrodo de bateria negativo. O material de eletrodo de capacitor é geralmente aplicado como uma pasta compreendendo os componentes de material de capacitor em um liquido (água ou orgânico).
[037] O material de capacitor compreende um material carbonado de alta Área de Superfície Específica (SSA) em uma quantidade de 30-70% por peso. Estes materiais de capacitor carbonados de alta área de superfície específicos incluem carbono ativado (ou ativo), nanopartículas de carbono ou nano carbono incluindo nanotubo de carbono (CNT), carbono mesoporoso e misturas dos mesmos. As áreas de superfície específicas entre 1000 e 3000 m2/g, preferivelmente 1000-2500 m2/g. Atualmente, por razões de custo, o carbono ativado, que não é geralmente condutor, é uma fonte conveniente.
[038] Os materiais carbonados de condutividade elétrica alta que estão presentes no material de capacitor em uma quantidade entre 20-65% de peso incluem o negro de
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 28/51 / 32 carbono, grafite, nanotubos de carbono (CNT), fibra crescida em fase de vapor ou cristal capilar, fibras de grafite, e misturas dos mesmos. 0 negro de carbono é uma forma pulverizada de carbono elementar e é feito por uma variedade de processos, e quaisquer negros de carbono podem ser usados. Os exemplos de negros de carbono diferentes incluem negro de acetileno, negro de canal, negro de forno, negro de lâmpada e negro térmico, a área de superfície da qual é menos do que 1000 m2/g, muito menos do que a do carbono ativado.
[039] Entretanto, alguns nano carbonos como CNT são condutores com área de superfície razoavelmente grande de cerca de 1000 m2/g, em que tal carbono pode trabalhar como um corpo dos dois tipos acima mencionados de materiais carbonados.
[040] Os materiais carbonados de capacitor são quimicamente de carbono como um todo incluindo impurezas e elementos estranhos e radicais para modificação intencional. Os exemplos típicos são radicais funcionais na superfície de carbono ativado e boro nas partículas de negro de carbono que são possivelmente usáveis.
[041] Os tamanhos de partícula típicos para negros de carbono são de 10-400 nm, embora tendam a formar agregados de aproximadamente 100-800 nm de tamanho.
[042] O material de capacitor tipicamente ainda compreende um aglutinante. Quaisquer aglutinantes conhecidos na técnica podem ser usados, tais como borracha de butadieno estireno (SBR), borracha de cloropreno, politetrafluoroetileno (PTFE), fluoreto de polivinilideno (PVDF), neopreno e carboximetil celulose (CMC), ou uma
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 29/51 / 32 mistura dos mesmos. A pasta é apropriadamente usada em uma quantidade de 1-30% por peso da mistura de capacitor, preferivelmente 5-20% por peso.
[043] O material de capacitor pode também compreender um material de reforço de fibra (FRM) . Os materiais de reforço de fibra com uma razão de dimensão de 20-500 são preferidos. Os materiais apropriados incluem fibras plásticas, tais como fibras de poliêster (PE), tereftalato de polietileno (PET), polipropileno, poliacrilonitrila, bem como fibras de carbono ou grafite e cristais capilares crescidos em vapor. Estas fibras podem ter entre 1-30 pm de diâmetro, e 0,05-2mm de comprimento. Elas constituem apropriadamente 0-10% por peso do material de capacitor.
[044] O material de capacitor ainda compreende chumbo, preferivelmente em um teor de pelo menos 0,1%, preferivelmente 3-40% permitindo o controle do potencial negativo. Através da mudança de potencial do eletrodo, o componente de chumbo estará no estado metálico ou em um estado oxidado como um composto com um contra-íon, tal como sulfato, em forma particulada e/ou absorvido nas superfícies de carbono.
Aplicação de material de capacitor [045] O material de capacitor é apropriadamente aplicado no material de eletrodo de bateria negativo como uma camada. Uma mistura viscosa composta do material de capacitor e água ou solvente pode ser revestida por métodos variados, tais como lâmina de doutor, revestidor de rolo, revestidor de imersão e assim por diante. Outra técnica de aplicação é a adesão ou laminação usando uma folha préformada de material de capacitor. Do ponto de vista de
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 30/51 / 32 fabricação, a folha pré-formada preferida compreende o material de capacitor revestido na folha fina porosa, tal como uma folha de papel, uma folha não tecida de plástico ou fibra de vidro, e assim por diante.
[046] Antes de preparar a mistura, pelo menos uma porção dos componentes do material de capacitor é misturada por trituração, abrasão, moagem, dispersão, mistura ou similares. Isto retém otimamente a funcionalidade elevada de bateria e do capacitor com compactação e densidade de alta energia. Além disso, a interface resultante entre a bateria e as camadas de material de capacitor permite a estrutura ótima e propriedade do eletrodo negativo ser conseguida com as reações de chumbo e carbono.
[047] A espessura do material de capacitor (como um peso % da massa de material negativo total - bateria e capacitor) está preferivelmente entre 1% e 15%. Abaixo de 1% a camada de capacitor é muito fina para fornecer as vantagens de desempenho híbrido. O desempenho híbrido torna-se saturado em 10% por peso (da massa de material negativo). Acima deste nível aumentado a massa de material de capacitor não continua a melhorar o desempenho, mas pode ser tolerada até 15% por peso.
[048] A porosidade do material de capacitor é exigida para o transporte iônico, e é essencial para a camada de capacitor e para o material de bateria negativo de bateria subjacente. Isto é particularmente exigido guando o material de capacitor sobrepõe 90% ou mais da área de superfície do material de eletrodo de bateria negativa. A porosidade é preferivelmente 50-90%.
[049] O material de capacitor é aplicado como uma
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 31/51 / 32 pasta em um líquido, o líquido sendo evaporado após a aplicação da pasta. Os componentes são misturados e dispersados em um líquido, tal como água ou solvente orgânico. Outros aditivos podem ser incluídos na composição de pasta, especialmente aglutinantes, tais como CMC, MC, PVA e poliacrilato. Para pastas orgânicas, NMP pode ser usado como solvente.
Configuração física [050] Os eletrodos podem ser de qualquer formato apropriado, e, portanto, podem estar na forma de placa lisa ou na forma de uma placa espiralmente enrolada para a formação de células prismáticas ou espiralmente enroladas. Para simplicidade de projeto, as placas lisas são preferidas. O coletor de corrente está preferivelmente na forma de uma grade.
Eletrólito [051] No caso de baterias de chumbo ácido, qualquer eletrólito ácido apropriado pode ser usado. O eletrólito pode, por exemplo, estar na forma de um líquido ou um gel. O eletrólito de ácido sulfúrico é preferido.
[052] O eletrólito pode conter aditivos, tais como sulfatos alcalinos ou alcalinos terrosos para a prevenção de falta e corrosão. O teor de alumínio é eficaz para manter a vida útil da bateria. O teor de alumínio é preferivelmente 0,01-0,3 mol/L de íon de Al, ou 5-50g/L de Al2 (SO4) 3.18H2O.
Barramentos ou condutores [053] O barramento da bateria de chumbo ácido pode ser de qualquer construção apropriada, e pode ser feito de qualquer material condutor apropriado conhecido na técnica.
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 32/51 / 32 termo conectado a usado no contexto dos barramentos refere-se à conexão elétrica, embora o contato físico direto seja preferido. No caso onde a batería não é de uma configuração de batería de chumbo ácido típica com barramentos, qualquer condutor pode ser usado que não envolva circuitos externos à bateria.
Outras características de bateria [054] Geralmente, os componentes da bateria estarão contidos dentro de uma caixa de bateria com características adicionais apropriadas ao tipo de bateria empregada. Isto inclui os terminais externos (positivo e negativo) para a conexão elétrica à bateria. A bateria de chumbo ácido pode ser de um projeto inundado de eletrólito ou um projeto regulado por válvula. Onde a bateria de chumbo ácido é uma bateria de chumbo ácido regulada por válvula, a bateria pode ser de qualquer projeto apropriado, e pode por exemplo conter o eletrólito de gel. As características específicas da unidade de bateria apropriada a tais projetos são bem conhecidas na técnica da invenção.
[055] A pressão que pode ser aplicada ao grupo de placa de chumbo ácido pode estar na faixa de 5-45 kPa para o projeto inundado de eletrólito, e de 20-100 kPa para o projeto de bateria de chumbo ácido regulada por válvula. A pressão tem que estar em todas as faces das placas, preferivelmente igualmente, a fim de proteger mecanicamente os eletrodos porosos e, portanto, espaçadores de folha sólida ou corpo elástico podem ser inseridos entre a parede de recipiente e o grupo.
Separadores [056] Geralmente, cada um dos eletrodos positivo e
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 33/51 / 32 negativo é separado dos eletrodos adjacentes por separadores porosos. Os separadores são particularmente importantes quando a pressão é aplicada através dos eletrodos.
[057] Os separadores mantêm uma distância de separação apropriada entre os eletrodos adjacentes e mantêm a pressão de grupo. Os separadores situados entre os eletrodos adjacentes podem ser feitos de qualquer material poroso apropriado comumente usado na técnica, tal como materiais de polímero poroso incluindo polietileno, materiais fibrosos não tecidos e microfibra de vidro absorvente (AGM). Para as baterias de chumbo ácido reguladas por válvula, os separadores de AGM são preferidos. Para as baterias tipo inundadas de eletrólito, os separadores são preferivelmente escolhidos das membranas de polímero, tais como membranas de polietileno (PE) que podem opcionalmente ser reforçadas com materiais fibrosos não tecidos. Os separadores de polietileno têm apropriadamente entre 1 e 1,5 mm de espessura, visto que os separadores de AGM podem ter entre 0,8 e 2,5 mm de espessura.
Formação de baterias de chumbo ácido [058] Os eletrodos de baterias de chumbo ácido precisam ser formados. Isto pode ocorrer em massa com os eletrodos semelhantes antes da montagem da bateria (formação de tanque) ou na bateria montada. A operação de formação é conhecida no campo. Deve ser compreendido que as referências aos materiais a base de chumbo e a base de dióxido de chumbo são usados para se referir ao chumbo ou o próprio dióxido de chumbo, os materiais contendo o metal/dióxido de metal ou os materiais que são convertidos
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 34/51 / 32 em chumbo ou dióxido de chumbo, conforme o caso, no dado eletrodo.
[059] Como é indicado pela linguagem usada acima, a bateria de chumbo ácido contém pelo menos um de cada tipo de eletrodo. O número de células individuais (compostas de uma placa negativa e positiva) na bateria depende da voltagem desejada de cada bateria. Para uma bateria de 36 volts apropriada para uso como uma bateria de veículo elétrico híbrido leve (que pode ser carregado até 42 volts), isto envolvería o uso de 18 células.
Funções e características [060] Os dispositivos da presente aplicação funcionam vantajosamente bem sob condições de estado de carga parcial (PSOC), enquanto algumas características tipo desempenho de carga e descarga são melhores do que baterias de chumbo ácido convencionais. Sob PSOC, a sulfatação ou crescimento de cristal de PbSO4 duro é subjugada, permitindo a operação sob ciclo de PSOC para uma grande produção e para manter o dispositivo operacional durante períodos de repouso longos de PSOC. A aceitação de carga e o desempenho de descarga profundo são substancialmente melhorados, que estão no mesmo curso das características de PbSO4. Além disso, a existência de uma região de capacitor melhora a reatividade de reação de bateria, resultando na melhoria de capacidade. PSOC é praticamente dividido em 2 faixas, em 80-98% de SOC e 50-80%. O PSOC raso antigo é para o desempenho de descarga e um PSOC profundo recente é para a recarga ou desempenho regenerativo.
[061] Ambos VRLA e versões inundadas podem ser usados na grande variedade de aplicações de bateria secundária,
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 35/51 / 32 industriais incluindo aplicações automotivas e (estacionária, e tração).
[062] Enquanto as baterias de chumbo ácido inundadas são usadas hoje em dia como baterias de SLI (ignição de luminosa de partida convencional) automotivas, a versão inundada descrita nisto em PSOC pode agora ser usada nestas aplicações, e fornece vantagens adicionais, tais como parada de repouso, frenagem regenerativa e auxílio de partida, todas as quais são exigidas para boa economia de combustível em veículos automotivos. Tais veículos elétricos híbridos (HEV) usando baterias de eletrólito inundadas são chamados micro-HEV. Embora as versões de VRLA da bateria também funcionem bem, a versão inundada tem duas vantagens de baixo custo e grande capacidade de aquecimento. As baterias automotivas são geralmente montadas no compartimento de motor sob o capô, onde a bateria está exposta a muito fluxo de calor do motor e circuitos elétricos. As baterias de VRLA de capacidade de calor menor são inclinadas à fuga térmica e perda de água acelerada.
Portanto as versões de VRLA das baterias devem ser montadas no porta-malas/bagageiro. Nesta aplicação PSOC é tão raso quanto 80-98%, preferivelmente 90-98%.
[063] A versão de VRLA desta bateria para aplicações automotivas tem um PSOC mais profundo, então funciona bem para a frenagem regenerativa recuperar a energia de frenagem, que melhora a economia de combustível. Isto é apropriado para uso em um tipo de HEV, referido como leveHEV.
Exemplos [064] Uma bateria de chumbo ácido de uma modalidade da
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 36/51 / 32 invenção é ilustrada esquematicamente nas Figuras 1 e 2. é notado que para facilidade de explanação, a bateria ilustrada tem poucas células do que o número de células que estariam tipicamente contidas em uma forma comercial da bateria.
[065] A bateria compreende três eletrodos de placa positiva de dióxido de chumbo (1) e dois eletrodos negativos (2) . Os eletrodos negativos compreendem um coletor de corrente ou grade (3) com uma composição de pasta de eletrodo de bateria contendo chumbo aplicada a ela (4) e pasta de material de capacitor aplicada nas superfícies de material negativo de chumbo (5). Isto inclui as faces do eletrodo que são opostas aos eletrodos positivos.
[066] A formação do eletrodo é conduzida na maneira conhecida na técnica. Em uma variação nesta modalidade que é mais simples para manufaturar, um eletrodo negativo a base de chumbo é preparado com o chumbo colado por técnicas convencionais à seção de corpo principal no material de pasta de chumbo, e, depois que é curado e seco, o material de capacitor é colado (por exemplo, mergulhando) nas superfícies deste eletrodo negativo a base de chumbo. A formação pode ocorrer antes ou depois da aplicação do material de eletrodo de capacitor. Os eletrodos positivo (1) e negativo (2) são posicionados em arranjo alterno em uma caixa de bateria (6).
[067] Os eletrodos de dióxido de chumbo positivos (1) e os eletrodos negativos (2) da modalidade ilustrada na
Figura 1 têm 76 mm de largura por 76 mm de altura por 0,81,7 mm de espessara. A região material de capacitor (5) do
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 37/51 / 32 eletrodo negativo pega até 0,5 mm de espessura do eletrodo negativo, ou até 10% por peso do material de eletrodo de bateria negativo.
[068] Os separadores (7) estão situados entre os eletrodos adjacentes. Os separadores de microfibra de vidro absorvente (AGM) (7) de 1,1 mm em espessura são posicionados entre os eletrodos positivo (1) e negativo (2).
[069] A caixa de bateria (6) é preenchida com a solução de ácido sulfúrico (8). Os eletrodos positivos são conectados a um barramento positivo (9) , e os eletrodos negativos conectados a um barramento negativo (10).
Exemplo 1 - El:
[070] Uma bateria de monobloco (87mm L x 150mm C x HOmm A) de 6 células em um arranjo de VRLA foi construída com os seguintes componentes, processos e condições;
[071] Eletrodo negativo: grade (Pb com 0,1% de Ca) de 76mm L x 76mm A x l,4mm de espessura, 5 placas/célula.
[072] A mistura aquosa (densidade 4,0) de óxido de chumbo, expansor, fibra de poliéster e ácido sulfúrico foi aplicada às grades, curada, secada e então formou no tanque de acordo com métodos convencionais.
[073] A mistura de capacitor é composta de:
Negro de carbono (negro de fumo) 43 partes por massa Carbono ativo (SSA 2300m2/g) 38
Fibra de poliéster (20pm de diâmetro, 5 razão de dimensão 150)
Borracha Cloroplano 10
CMC 4
Água 280 baseado em
100 partes de massa
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 38/51 / 32 de 100% de teor de sólidos.
[074] A mistura é aplicada em ambos os lados de todas as placas formadas pelo método de lâmina de doutor e seca. A massa de capacitor foi 5% de massa ativa negativa total (base seca) com porosidade de 75%.
[075] Eletrodo positivo: grade (Pb com 0,035% de Ca, 0,007% de Ba, 1,8% de Sn) de 7 6mm L x 7 6mm A x l,7mm de espessura, 4 placas/célula.
[076] A mistura aquosa (densidade 4,2) de óxido de chumbo, ácido sulfúrico e fibra de poliéster é aplicada à grade, curada, seca e formada em tanque de acordo com métodos convencionais.
[077] Separador: AGM l,lmm de espessura grupos de ambos os eletrodos intercalados com AGM foram conectados em uma máquina de molde em tira (COS) e inseridos em 6 células com pressão de grupo de 60 kPa, e selados, e então o eletrólito foi derramado.
[078] Eletrólito: solução aquosa de ácido sulfúrico de gravidade específica 1,30 contendo 30g/L de Al2 (SO4) 2-I8H2O.
[079] A ativação foi conduzida como segue:
Carga de corrente constante de IA por 15hr,
Descarga de corrente constante de 2A até a voltagem diminuir para 10,5V;
Carga de corrente constante de IA por 15hr;
Capacidade em taxa de 5h foi medida como 36720 C.
[080] Após a ativação, uma bateria para estudo foi desmontada, a camada de capacitor foi quimicamente analisada e a seção de eletrodo foi examinada por ΕΡΜΑ. O teor de chumbo foi 1,9% e distribuído em uma maneira que o
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 39/51 / 32 chumbo foi enriquecido perto da interface da bateria e massas de capacitor.
[081] A capacidade de bateria de descarga foi medida em uma taxa de 5 horas.
Exemplo de referência 1 - Rl:
[082] No lugar do eletrodo negativo de Exemplo 1, os eletrodos negativos foram preparados para ter um tipo de configuração de referência como segue:
[083] Uma meia área do eletrodo negativo foi colada com a mistura de bateria, e a outra metade foi colada com a mistura de capacitor. As metades eram um lado esquerdo e um lado direito, revestidas em ambas faces com o material de bateria, ou material de capacitor, respectivamente.
Exemplo de referência 2 - R2:
[084] No lugar do recipiente usado no Exemplo 1, um novo maior (87 mm L x 220 mm C x 110 mm A) foi usado para inserir o seguinte grupo de placa composto da bateria e porções de capacitor mantendo a mesma pressão de grupo de 60 kPa. A porção de bateria foi a mesma para El acima e a porção de capacitor foi composta de 5 eletrodos negativos de capacitor e 4 eletrodos positivos alternativamente arranjados em série e intercalados com AGM de 0,5 mm de espessura. Ambos os eletrodos foram construídos com substratos de folha de chumbo espessa de 0,6 mm com 45% de aberturas perfuradas revestindo o capacitor e as misturas de bateria positiva, respectivamente e as espessuras secas dos eletrodos negativos e positivos foram aproximadamente 0,9 e 0,7 mm de espessura, respectivamente. Os substratos foram as mesmas ligas que E-l. A massa de material de capacitor foi 5% por peso de material de bateria. O
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 40/51 / 32 eletrodo positivo foi formado em tanque antes de empilhamento e montagem.
[085] Todos os eletrodos negativos e positivos foram soldados (COS) para estarem eletricamente conectados em paralelo, respectivamente, e inseridos em 6 células e selados. Então o eletrólito foi derramado. A ativação foi similarmente conduzida.
[086] As capacidades foram medidas e resultados foram listados como segue:
| Capacidade em taxa de 5h | Densidade de energia (relativa) | |
| E-l | 36720 C | 100% |
| E-2 | 18720 C | 51% |
| E-3 | 36360 C | 68% |
[087] Revestir a camada de capacitor na placa de bateria de chumbo ácido pode ter os benefícios da placa de bateria de chumbo ácido fornecer energia, enquanto o eletrodo de capacitor dá potência. O E-l com configuração em camada mostra claramente os valores mais elevados, comparados com as outras duas configurações.
Exemplo 2 - E2:
[088] Os Exemplos 1 acima foram repetidos, mas com as seguintes mudanças:
Composição de mistura de capacitor Negro de acetileno no lugar de negro de fumo 25% massa
Carbono ativo (SSA 1900m2/g) 62%
Cristal capilar de carbono crescido em vapor 3%
SBR 7%
Carbóximetil celulose 3%
Água 300%
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30% de massa
15% de massa
44%
3%
6%
3%
300%
A massa da camada de capacitor foi 10% de massa negativa total e a porosidade foi 65%.
[089] Os resultados de capacidade e ciclo de vida são mostrados na tabela 1.
Exemplo 3 - E3:
[090] O Exemplo 1 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
Composição de mistura de capacitor Negro de fumo Grafite expandido Carbono ativo (SSA 1900m2/g)
Fibra de poliéster de 20 pm de diâmetro, razão de dimensão 150
SBR no lugar de Cloroplano Carbóximetil celulose (CMC)
Água
A massa de camada de capacitor foi 8% e a porosidade foi 65%.
[091] Os resultados são mostrados na Tabela 1.
Exemplo 4 - E4:
[092] O Exemplo 1 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
Composição de mistura de capacitor Negro de acetileno 23% de massa
Cristal capilar de carbono crescido em vapor (fibra) 11
Carbono ativo (SSA 2300m2/g) Carbono ativo (SSA 1200m2/g) Poliéster de 20 pm de diâmetro, razão de dimensão 150
SBR
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 42/51 / 32
CMC 3
A massa de camada de capacitor foi 10% e a porosidade foi 65%.
[093] Os resultados são mostrados na tabela 1.
Exemplo 5 - E5:
[094] O Exemplo 1 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
A massa de camada de capacitor foi 2% com porosidade de 65%.
Exemplo 6 - E6:
[095] O Exemplo 1 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
O revestimento de capacitor foi aplicado em somente um lado das placas. A massa foi 5% de massa negativa total.
Exemplo 7 - E7:
| [096] 0 Exemplo 1 acima foi | repetido, mas | com as |
| seguintes mudanças: | ||
| Negro de carbono (negro de fumo) | 22% de | massa |
| Carbono ativo (SSA 2300m2/g) | 69% | |
| Cristal capilar de carbono (mesmo que E-2) 3% | ||
| Borracha de Cloroplano | 4% | |
| CMC | 1% | |
| Exemplo 8 - E8: | ||
| [097] 0 Exemplo 1 acima foi | repetido, mas | com a |
| seguinte mudança: | ||
| Negro de carbono (negro de fumo) | 65 % de | massa |
| Carbono ativo (SSA 2300m2/g) | 30% | |
| Fibra de poliéster (mesma que E-4) | 1% | |
| Borracha de Cloroplano | 3% | |
| CMC | 1% |
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 43/51 / 32
Exemplo 9 - E9:
[098] No lugar da liga de grade positiva no E-l, uma liga sem Ba foi usada. O eletrólito não continha aditivo Al, [099] Elemento de liga: 1,5% de massa de Sn, 0,06% de Ca e 0,002% de Al.
Exemplo de referência 3 - R3:
[100] O Exemplo 1 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
Nenhum revestimento de material de capacitor foi aplicado.
Exemplo de referência 4 - R4:
[101] O Exemplo 1 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
Negro de carbono (negro de fumo) 65 % de massa
Carbono ativo (SSA 2300m2/g) 20%
Fibra de poliéster (mesma que E-4) 5%
Borracha de Cloroplano 7%
CMC 3%
Exemplo de referência 5 - R5:
[102] O Exemplo 1 acima foi seguintes mudanças:
Negro de carbono
Carbono ativo (SSA 1900m2/g)
Fibra de poliéster (mesma que E-4) Borracha de Cloroplano
CMC repetido, mas com as % de massa
72%
4%
5%
2%
Exemplo de referência 6 - R6:
[103] No lugar do revestimento em camada no E-l, 5% de mistura de capacitor seca e pulverizada foi adicionado à mistura de bateria negativa.
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 44/51 / 32 [104] Com relação às baterias acima, o desempenho de bateria para aplicações de veículo elétrico híbrido (HEV) foi testado como segue:
[105] Padrão de ciclo: A bateria foi descarregada em 2A por lh alcançando 80% de SOC, então
500 conjuntos de descarga de 50A por 1 segundo e carga de 20 A por 1 segundo foram aplicados, então 510 conjuntos de carga de 30 A por 1 segundo e repouso por 1 segundo.
[106] Os conjuntos acima foram contados como 1 ciclo e o ciclo de vida foi determinado quando a voltagem de bateria alcançou 0 V.
[107] Após o teste de El, o teor de chumbo e sua distribuição através da seção de camada de capacitor foram verificados. Confirmou-se que a impregnação de chumbo prosseguiu até 30,2% de peso em média. O teor de chumbo na massa do capacitor é calculado daqui por diante como uma média de valores de antes e depois.
[108] Os resultados são mostrados na tabela 1.
Tabela 1
| Amostra | Capacidade | Ciclo de vida | Teor de Pb |
| E-l | 36720 C | 820 ciclos | 16,1% |
| E-2 | 35640 | 830 | 17,7 |
| E-3 | 36360 | 750 | 14,9 |
| E-4 | 37440 | 850 | 17,0 |
| E-5 | 34920 | 620 | 13, 0 |
| E-6 | 34560 | 500 | 10,9 |
| E-7 | 36000 | 520 | 9,9 |
| E-8 | 35640 | 510 | 11,1 |
| E-9 | 36720 | 640 | 12,7 |
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 45/51 / 32
| R-l | 18720 | 190 | 0,9 |
| R-2 | 36360 | 580 | 00 |
| R-3 | 33480 | 180 | |
| R-4 | 34920 | 340 | 00 00 |
| R-5 | 34920 | 310 | 7,6 |
| R-6 | 35640 | 410 | - |
[109] Todos os exemplos desta invenção tiveram um ciclo de vida mais longo sob operação de PSOC. E-9 usando uma liga livre de Ba convencional tem uma vida mais curta, devido à corrosão positiva de grade e resistência interna aumentada resultante. A respeito dos exemplos de referência, R-3 de bateria convencional (controle) sem material de capacitor mostrou o resultado mais pobre. R-4 e R-5 com material de capacitor dos níveis exibem o desempenho mais pobre.
[110] R-l e R-2 com uma configuração de eletrodo diferente da configuração reivindicada, que eram mais pobres em densidade de energia como previamente mencionado, mostraram uma vida mais curta. Postula-se que isto está relacionado à inexistência da interface entre os materiais de bateria e de capacitor. R-6 contendo a mistura de ambos materiais de bateria e de capacitor estava também pobre em ciclo de vida de PSOC.
Exemplo 11 - Eli:
[111] Uma bateria de monobloco (126 mm L x 236 mm C x 200 mm A) de 6 células (tamanho JIS B24) em arranjo inundado foi construída com seguintes componentes, processos e condições:
Eletrodo negativo: grade (Pb com 0,1% de Ca) de 102 mm L x 108,5 mm A x 1,5 mm de espessura, 7 placas/célula
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 46/51 / 32
A mistura aquosa (densidade 4,0) de óxido de chumbo, expansor, fibra de polipropileno e ácido sulfúrico foi aplicada às grades, curada e seca de acordo com métodos convencionais.
[112] A mistura de capacitor é composta de:
Negro de carbono (negro de fumo) 43% massa
Carbono ativo (SSA 2300m2/g) 38%
Fibra de Polipropileno 5% (15 pm de diâmetro, razão de dimensão 100)
Borracha de Cloropteano 10%
CMC 4%
Água 280%
A mistura de capacitor é aplicada em ambos os lados de todas as placas pelo método de lâmina de doutor e seca. A massa de capacitor foi 5% de massa ativa negativa total (base seca) com porosidade de 75%.
[113] Eletrodo positivo: grade (Pb com 0,035% de Ca, 0,007% de Ba, 1,8% de Sn) de 102 mm L x 108,5 mm A x 1,7 mm de espessura, 6 placas/célula.
[114] A mistura aquosa (densidade 4,2) de óxido de chumbo, ácido sulfúrico e fibra de poliéster é aplicada à grade, curada e seca de acordo com métodos convencionais.
[115] Separador: Folha de polietileno (PE) porosa coberta com uma camada de fibra de vidro não tecido, 1,0 mm de espessura.
[116] Eletrólito: ácido sulfúrico com gravidade específica de 1,24.
[117] Após ter envolvido as placas positivas com a folha de separador, 6 grupos de ambas as placas foram conectados em uma máquina de COS e então inseridos em 6
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 47/51 / 32 células de um recipiente de monobloco com pressão de grupo de 2 0 kPa. Uma placa de cobertura foi soldada e então o eletrólito foi derramado. A formação de recipiente foi conduzida no banho maria de 35 °C aplicando a eletricidade total (273600 C) , que é 180% de valor teórico, para o período de 10 horas.
[118] A capacidade de bateria foi medida como 151200 C em uma taxa de 5 horas.
[119] O desempenho de bateria para o ciclo de parada de repouso automotivo foi testado como segue:
Descarregar 45 A por 59 s e 300 A por 1 s
Carga 100 A por 60 s em 14.0V
A descarrega-carga acima foi repetida 3600 ciclos seguidos por repouso por 48 horas. Este procedimento foi continuado em 25°C ambiente até que a voltagem de bateria reduziu para 7,2V - de que é a voltagem limite para o ciclo de vida.
[120] Os resultados são mostrados na tabela 2.
Exemplo 12 - E12:
[121] O Exemplo 1 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
A pressão de grupo foi ajustada como 40kPa, e o eletrólito foi adicionado com 15g/L de Al2 (SO4) 3.18H2O.
Exemplo 13 - E13:
[122] O Exemplo 11 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
A pressão de grupo foi mudada para 8 kPa.
Exemplo 14 - E14:
[123] O Exemplo 11 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
Petição 870180040104, de 14/05/2018, pág. 48/51 / 32 [124] A mistura de capacitor é composta de:
| Negro de carbono (negro de fumo) | 50% |
| Carbono ativo (SSA 2300m2/g) | 35% |
| Fibra de poliéster | 3% |
| Borracha de Cloroplano | 8% |
| CMC | 4% |
| Água | 280% |
separador foi mudado para folha de PE porosa sem camada de fibra de vidro não tecida e a pressão de grupo mudada para 15 kPa.
Exemplo de referência 11 - Rll:
[125] 0 Exemplo 11 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
Nenhum revestimento de capacitor foi aplicado.
Exemplo de referência 12 - R12:
[126] 0 Exemplo 11 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
A pressão de grupo foi de 55kPa.
Exemplo de referência 13 - R13:
[127] 0 Exemplo 11 acima foi repetido, mas com as seguintes mudanças:
A pressão de grupo foi de 3kPa.
Tabela 2
| Amostra | Capacidade | Ciclo de vida | Teor de Pb |
| E-ll | 151200 C | 75000 | 12,0% |
| E-12 | 137880 | 80000 | 14,1 |
| E-13 | 156240 | 65000 | 11,2 |
| E-14 | 160200 | 55000 | 9,9 |
| R-ll | 144360 | 25000 | 6, 9 |
| R-12 | 115560 | 80000 | 7,9 |
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| R-13 | 158400 | 11000 | 4,8 |
[128] No caso de R-12, a capacidade C foi reduzida enquanto o ciclo de vida foi elevado. No caso de R-13 a vida curta foi devido ao destacamento da camada de capacitor.
[129] Muitas modificações podem ser feitas às modalidades e exemplos descritos acima sem sair do conceito inventivo e escopo da invenção.
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1/4
Claims (2)
1/1
CO to co to
I to
FIGURA
2 FIGURA 1
CM
Family
ID=
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