ES2244936T3 - Separador de baterias con una mejor estabilidad a la oxidacion. - Google Patents

Separador de baterias con una mejor estabilidad a la oxidacion.

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ES2244936T3
ES2244936T3 ES03722418T ES03722418T ES2244936T3 ES 2244936 T3 ES2244936 T3 ES 2244936T3 ES 03722418 T ES03722418 T ES 03722418T ES 03722418 T ES03722418 T ES 03722418T ES 2244936 T3 ES2244936 T3 ES 2244936T3
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Abstract

Separador de baterías a base de poliolefina termoplástica, ultraaltomolecular con un peso molecular promedio en peso de por lo menos 300.000, caracterizado porque contiene, relativo a la suma de los pesos del material de carga y de la poliolefina, entre 10 y 100% en peso de poliolefina y entre 0 y 90% en peso de un material de carga y, relativo al peso del separador, entre 5 y 35% en peso de aceite y entre 0, 5 y 5, 0% en peso de un compuesto según la fórmula (I) R(OR1)n (COOMx+1/x)m (I) en la que R es un radical de hidrocarburo no aromático de 10 a 4.200 átomos de carbono, que puede estar interrumpido por átomos de oxígeno, R1 es H, -(CH2)kCOOMx+1/x ó ¿(CH2)k-SO3Mx+1/x, siendo k 1 ó 2, M es un ion de un metal alcalino o alcalinotérreo, H+ ó NH4+, en el que no todas las variables M son simultáneamente H+, n es 0 ó 1, m es 0 o un número entero de 10 a 1.400 y x es 1 ó 2, en la que la relación entre los átomos de oxígeno y los átomos de carbono en el compuesto según la fórmula (I) está comprendida entre 1:1, 5 y 1:30 y n y m no pueden ser simultáneamente cero.

Description

Separador de baterías con una mejor estabilidad a la oxidación.
La invención se refiere a separadores para acumuladores de plomo/ácido sulfúrico, en lo sucesivo denominados para mayor brevedad acumuladores de plomo, que presentan una mejor estabilidad a la oxidación.
Los separadores utilizados en la actualidad en los acumuladores de plomo son mayoritariamente separadores de poliolefina llenados, microporosos. Tienen la finalidad por un lado de impedir un contacto directo y con ello cortocircuitos entre las placas de los electrodos y por otro lado de permitir un flujo de corriente iónico y oponer al mismo una resistencia mínima. La composición y preparación de separadores de este tipo son conocidas de por sí (ver por ejemplo los documentos DE-PS 1 267 423, DE-PS 1 298 712, DE-AS 1 496 123, DE-OS 35 45 615, DE-PS 35 40 718 y DE-PS 36 17 318).
A tal fin, se forma, según el documento US nº 3.351.495, una mezcla homogénea formada por una poliolefina, un material de carga, un plastificante y aditivos, y se moldea dicha mezcla para obtener una capa en forma de tira. A continuación, se eliminan el plastificante y las cargas por lo menos en parte por extracción. Los plastificantes utilizados son polietilenglicol, glicerol y, en particular, aceite mineral. Con el fin de impedir una degradación oxidativa de la poliolefina durante la extrusión, los separadors pueden contener además antioxidantes, tales como 4,4-tiobis(6-terc.-butil-m-cresol) y 2,6-di-terc-butil-4-metilfenol).
Durante su utilización, los separadores deben resistir no sólo al ácido agresivo de la batería, sino están también expuestos en particular en la zona de la placa positiva a los ataques oxidativos, por ejemplo por parte del dióxido de plomo altamente oxidativo y de la formación de oxígeno naciente extremadamente reactivo y de peróxidos. A esto se añade que los acumuladores de plomo están expuestos a temperaturas ambientes y cargas cíclicas cada vez más altas, lo cual refuerza el ataque oxidativo.
El polietileno utilizado frecuentemente para la producción de los separadores da a los separadores, en conjunción con pequeñas cantidades de antioxidante y una mayor cantidad de aceite, confiere a los separadores una cierta estabilidad a la oxidación por parte de los medios agresivos de la batería, pero, en las condiciones de utilización severas, el material de los separadores puede estar sujeto a un ataque de oxidación lento y puede finalmente quedar destrozado, lo cual da lugar a un empeoramiento de la estabilidad mecánica del separador y a la formación de fisuras y agujeros y produce en el peor caso un acortamiento de la vida útil de la batería por cortocircuitos.
Para mejorar la estabilidad a la oxidación de los separadores de baterías, se conocen una multitud de medidas. Por ejemplo, un aumento del espesor del separador, del peso molecular del polímero utilizado para preparar el separador o un aumento sustancial del contenido en polímero del separador pueden retardar la degradación oxidativa del separador.
Sin embargo, un aumento del espesor del separador provoca costos de fabricación mucho mayores y resistencias eléctricas más altas. Además, el polietileno de peso ultraaltomolecular (UHMWPE) utilizado convencionalmente para la fabricación de los separadores presenta ya, por lo general, un peso molecular de 5-7 x 10^{6} g/mol, y otro incremento en el peso molecular daría lugar a problemas de proceso considerables. Además, a pesar de que los tipos UHMWPE hasta un peso molecular de aproximadamente 10 x 10^{6} g/mol están disponibles en el mercado, las cadenas poliméricas de dichos tipos UHMWPE están sujetas a una mayor degradación durante la extrusión debido al cizallamiento en la extrusora, lo cual reduce otra vez considerablemente el peso molecular. Un aumento del contenido en polímeros empeora sustancialmente la humectabilidad y la porosidad y por tanto la resistencia eléctrica del separador.
Por el estado de la técnica es conocido también que los aceites de tratamiento utilizados para la preparación de los separadores de baterías pueden mejorar la estabilidad a la oxidación de los separadores. Sin embargo, hay un límite con relación al contenido máximo de aceite, puesto que el aceite empeora también la humectabilidad y la porosidad del separador.
Por el documento DE 30 04 659 C2 se conocen unos separadores que contienen aceites con un contenido en aromáticos de por lo menos un 40%. Debido a su composición, dichos aceites dan lugar a una mejora de la estabilidad a la oxidación de los separadores. Sin embargo, los aceites de proceso con un alto contenido en aromáticos pueden favorecer la formación de depósitos oscuros, frecuentemente pegajosos en el acumulador de plomo, los cuales ensucian los lados interior y exterior de la caja del acumulador y pueden atascar los sistemas de válvulas.
Evitar depósitos de este tipo forma el objeto del documento DE 39 22 160 A1, por el cual se conoce a tal fin la utilización de tensioactivos, preferentemente del tipo amida o amina.
Por el documento JP 02155161 A se conoce la utilización de una combinación de aceite parafínico, antioxidante y un eliminador de peróxidos a base de ácido fosfórico, con el fin de mejorar la estabilidad a la oxidación de los separadores de baterías a altas temperaturas. Sin embargo, este método no consigue una protección contra el efecto oxidante del oxígeno naciente o del dióxido de plomo de la placa de electrodo positiva.
Por el documento JP 07130348 A se conocen separadores que contienen aceite mineral en combinación con una resina fenólica.
Para mejorar la estabilidad a la oxidación de separadores de bolsillo, en los documentos US nº 5.384.211 y JP 10031992 A se han propuesto un aumento del contenido en aceite en el borde plegado y a lo largo del borde de soldadura.
Por el documento JP 08203493 A se conoce el recubrimiento de los bordes de separadores con una resina aislante, con el fin de suprimir el ataque oxidativo.
El documento JP 2000133239 A da a conocer el recubrimiento de la parte superior del separador que se encuentra en contacto con el bastidor y el talón de suspensión del electrodo de la placa positiva con un adhesivo termoplásti-
co.
No es posible preparar los separadores citados anteriormente de forma continua, utilizando la tecnología actual, por lo cual dicha preparación es muy complicada y costosa. Además, se consigue sólo una mejora parcial de la estabilidad a la oxidación.
Es habitual proveer los separadores por lo menos por un lado con nervios longitudinales, con el fin de impedir un contacto directo de la hoja de separador con la placa de electrodo positiva y por tanto una destrucción oxidativa prematura.
Por los documentos JP 04167356 A y JP 2000182593 A se conocen unos separadores que presentan nervios adicionales por la zona de los bordes de soldadura de los separadores, para impedir selectivamente la formación de grietas por oxidación en dicha zona.
Por el documento JP 09097601 A se conocen unos separadores perfilados de forma especial, que dejan escapar el gas formado en la placa positiva, reduciendo de esta manera su efecto oxidante sobre el separador.
El documento JP 04190554 A da a conocer la adición de fibras de vidrio al material de separador, para retardar un empeoramiento de las propiedades mecánicas del separador por oxidación. Sin embargo, es difícil incorporar fibras de vidrio en el separador por extrusión, puesto que por un lado las fibras de vidrio son difíciles de dispersar en el material de separador y por otra lado rompen fácilmente durante la extrusión, bloqueando los tamices de la extrusora. Además, los separadores que contienen fibras de vidrio son poco flexibles y tienden a romper al ser sujetos a una carga mecánica.
A pesar de los grandes esfuerzos realizados, ninguna de las medidas anteriores para mejorar la estabilidad a la oxidación de separadores de baterías resulta satisfactoria en cada aspecto.
Por el documento US nº 4.024.323, se conocen unos separadores de baterías, en los cuales se ha reemplazado por lo menos un 40% de la polietilena de peso ultraaltomolecular utilizada para la preparación de los separadores con un copolímero constituido por una olefina y ácido (met)acrílico o una mezcla de una poliolefina de bajo peso molecular y un polímero de ácido (meth)acrílico. Con esta medida se pretende aumentar la velocidad de extrusión y mejorar la incorporación del material de carga en el polímero. Sin embargo, el reemplazo de por lo menos un 40% de la polietilena ultraaltomolecular con polímeros de bajo peso molecular es desventajoso, puesto que da lugar a un empeoramiento de las propiedades mecánicas del separador.
El objetivo de la invención es proporcionar separadores de baterías con alta estabilidad a la oxidación que sean fáciles de preparar y a bajos costes y estén protegidos contra la oxidación por todas sus áreas de superficie.
Dicho objetivo se alcanza, según la invención, por medio de unos separadores de baterías que contienen un compuesto de la fórmula (I)
(I)R(OR^{1})_{n} (COOM^{x+}{}_{1/x})_{m}
en la que
R
es un radical de hidrocarburo no aromático de 10 a 4.200 átomos de carbono, preferentemente 13 a 4.200, que puede estar interrumpido por átomos de oxígeno,
R^{1}
es H, -(CH_{2})_{k}COOM^{x+}_{1/x} o -(CH_{2})_{k}-SO_{3}M^{x+}_{1/x}, preferentemente H, siendo k 1 ó 2,
M
es un ion de un metal alcalino o alcalinotérreo, H^{+} o NH_{4}^{+}, en el que no todas las variables M son simultáneamente H^{+},
n
es 0 ó 1,
m
es 0 o un número entero de 10 a 1.400 y
x
es 1 ó 2,
\newpage
en la que la relación entre los átomos de oxígeno y los átomos de carbono en el compuesto según la fórmula (I) puede estar comprendida entre 1:1,5 y 1:30 y n y m no pueden ser simultáneamente zero. Sin embargo, preferentemente sólo una de las variables n y m es distinta de zero.
Por radicales de hidrocarburo no aromáticos se entienden radicales que no contienen grupos aromáticos o ellos mismos no son uno. Los radicales de hidrocarburo pueden estar interrumpidos por átomos de oxígeno, es decir, que pueden contener uno o varios grupos éter.
Preferentemente, R es un radical de hidrocarburo alifático lineal o ramificado que puede estar interrumpido por átomos de oxígeno. Se prefieren particularmente los radicales de hidrocarburo saturados, no ramificados.
Sorprendentemente, se ha hallado que al utilizar los compuestos de la fórmula (I) para la preparación de los separadores de baterías, los mismos pueden estar protegidos de forma eficaz contra la destrucción oxidativa.
Se prefieren los separadores de baterías que contienen un compuesto según la fórmula (I), en la que
R
es un radical de hidrocarburo de 10 a 180, preferentemente de 12 a 75, y de forma particularmente preferida de 14 a 40, átomos de carbono, que puede estar interrumpido por 1 a 60, preferentemente de 1 a 20, y de forma particularmente preferida de 1 a 8, átomos de oxígeno, y es, de forma particularmente preferida, un radical de hidrocarburo de la fórmula R^{2} -[(OC_{2}H_{4})_{p}(OC_{3}H_{6})_{q}]-, en la que
R^{2}
es un radical alquilo de 10 a 30 átomos de carbono, preferentemente de 12 a 25, de forma particularmente preferida de 14 a 20, átomos de carbono,
p
es un número entero de 0 a 30, preferentemente de 0 a 10, de forma particularmente preferida de 0 a 4, y
q
es un número entero de 0 a 30, preferentemente de 0 a 10, de forma particularmente preferida de 0 a 4,
\quad
prefiriéndose en particular los compuestos en los que la suma de p y q es de 0 a 10, particularmente de 0 a 4,
n
es 1 y
m
es 0.
La fórmula R^{2}-[(OC_{2}H_{4})_{p}(OC_{3}H_{6})_{q}]- debe entenderse de tal forma que comprende también los compuestos en los que el orden de los grupos en corchetes puede ser diferente del representado. Por ejemplo, son aptos también según la invención los compuestos en los que el radical en corchete está formado por grupos alternantes de (OC_{2}H_{4}) y (OC_{3}H_{6}).
Los aditivos en los que R^{2} es un radical alquilo lineal o ramificado de 10 a 20, preferentemente de 14 a 18, átomos de carbono resultan particularmente ventajosos. Preferentemente, OC_{2}H_{4} es OCH_{2}CH_{2} y OC_{3}H_{6} es OCH(CH_{3})CH_{2} y/o OCH_{2}CH(CH_{3}).
Los aditivos preferidos que pueden mencionarse son en particular alcoholes (p=q=0; m=0), prefiriéndose en particular los alcoholes primarios, etoxilatos de alcoholes grasos (p=1 a 4; q=0), propoxilatos de alcoholes grasos (p=0; q=1 a 4) y alcoxilatos de alcoholes grasos (p=1 a 2; q=1 a 4), prefiriéndose los etoxilatos de alcoholes primarios. Los alcoxilatos de alcoholes grasos pueden obtenerse por ejemplo por reacción de los alcoholes correspondientes con óxido de etileno u óxido de propileno.
Resultan particularmente ventajosos los aditivos del tipo m=0, que no son solubles o sólo poco soluble en agua y ácido sulfúrico.
También se prefieren los separadores de baterías que contienen un compuesto según la fórmula (I), en la que
R
es un radical de alcano de 20 a 4.200, preferentemente de 50 a 750, y de forma particularmente preferida de 80 a 225, átomos de carbono,
M
es un ion de un metal alcalino o alcalinotérreo, H^{+} o NH_{4}^{+}, en particular un ion de un metal alcalino, tales como Li^{+}, Na^{+} y K^{+}, o es H^{+}, en la que no todas las variables M son simultáneamente H^{+},
n
es 0,
m
es un número entero de 10 a 1.400 y
x
es 1 ó 2.
Los aditivos que pueden mencionarse como aptos son en particular ácidos poliacrílicos, ácidos polimetacrílicos y copolímeros de ácido acrílico/ácido metacrílico, cuyos grupos acídicos están neutralizados por lo menos en parte, es decir, preferentemente en un 40%, de forma particularmente preferida en un 80%. El porcentaje indicado se refiere al número de los grupos acídidos. Se prefieren especialmente los ácidos poli(met)acrílicos que están presentes completamente en forma de sal. Por ácidos poli(met)acrílicos se entienden ácidos poliacrílicos, ácidos polimetacrílicos y copolímeros de ácido acrílico/ácido metacrílico. Se prefieren los ácidos poli(met)acrílicos y en particular los ácidos poliacrílicos con un peso molecular medio M_{v} comprendido entre 1.000 y 100.000 g/mol, de forma especialmente preferida entre 1.000 y 15.000 g/mol, y de forma particularmente preferida entre 1.000 y 4.000 g/mol. El peso molecular de los polímeros y copolímeros de ácido poli(met)acrílico se determina por medio de la viscosidad de una solución de los polímeros al 1%, neutralizada, acuosa (constante de Fikent).
Son también aptos los copolímeros de ácido (met)acrílico, en particular los copolímeros que contienen, como comonómeros, además de ácido (met)acrílico, etileno, ácido maleico, acrilato metílico, acrilato etílico, acrilato butílico y/o acrilato de etilhexilo. Se prefieren los copolímeros que contienen por lo menos un 40% en peso, preferentemente por lo menos un 80% en peso, de monómeros de ácido (met)acrílico, siendo los porcentajes citados relativos a la forma acídica de los monómeros o polímeros.
Para la neutralización de los polímeros y copolímeros del ácido acrílico son aptos en particular los hidróxidos de los metales alcalinos y alcalinotérreos, tal como hidróxido potásico y en particular hidróxido sódico.
Los aditivos que son aptos según la invención son conocidos y están disponibles en el mercado.
Alternativamente o adicionalmente, los separadores pueden contener, además de los aditivos citados, compuestos que son capaces de formar los aditivos según la invención. Se prefieren los compuestos que, al utilizarse los separadores conforme a lo previsto, liberan aditivos aptos, por ejemplo durante la hidrólisis por medio del ácido de batería. Las sustancias particularmente aptas de este tipo son ésteres que forman compuestos de la fórmula (I) que contienen grupos OH. Entre dichas sustancias, se incluyen por ejemplo los ésteres ftálicos de los alcoholes citados anterior-
mente.
Los separadores de baterías pueden dotarse del o de los aditivos de maneras diferentes. Por ejemplo, los aditivos pueden aplicarse al separador acabado (es decir, tras la extracción) o adicionarse a la mezcla utilizada para la preparación del separador. Según una forma de realización preferida, se aplica el aditivo o una solución del aditivo a la superficie del separador. Dicha variante es particularmente apta para la aplicación de aditivos no estables al calor y de aditivos que son solubles en el disolvente utilizado para la extracción subsiguiente. Entre los disolventes que son aptos para los aditivos según la invención, se incluyen en particular alcoholes de bajo peso molecular, tales como metanol y etanol, así como mezclas de dichos alcoholes con agua. La aplicación puede realizarse al lado de cara al electrodo negativo, al lado de cara al electrodo positivo o a ambos lados del separador. Al aplicarlos a un lado, se prefiere una aplicación al lado de cara a la placa del electrodo positivo.
La aplicación puede realizarse también de tal forma que el separador se sumerge en el aditivo o una solución del aditivo y, a continuación, si se desea, se elimina el disolvente, por ejemplo por secado. Dicho procedimiento permite combinar la aplicación del aditivo por ejemplo con la extracción que se utiliza frecuentemente en la preparación de los separadores.
Otra opción preferida es mezclar el o los aditivos con la mezcla del polímero termoplástico y, si se utilizan, de los materiales de carga y otros aditivos utilizada para la preparación de los separadores. A continuación, se conforma la mezcla homogénea que contiene los aditivos para dar un material en forma de tira. Puesto que esto se lleva a cabo normalmente por extrusión a temperatura elevada, son aptos a tal fin en particular los aditivos poco volátiles y estables al calor que son poco solubles en el disolvente utilizado para la extracción, tales como los polímeros y copolímeros del ácido acrílico o sus sales.
Los aditivos pueden utilizarse por sí solos o como mezcla de dos o más aditivos. Las mezclas de uno o más aditivos según la invención con sustancias tensioactivos, antiespumantes y otros aditivos pueden utilizarse también.
Los aditivos utilizados según la invención se utilizan preferentemente en una cantidad comprendida entre un 0,5 y un 5,0% en peso, de forma particularmente preferida entre un 1,0 y un 5,0% en peso, de forma especialmente preferida entre un 1,5 y un 4,0% en peso, sobre todo entre un 2,0 y un 3,5% en peso, relativo al peso del separador tras la extracción.
Los aditivos utilizados para la preparación de los separadores preferentemente presentan un alto punto de ebullición. Resultan particularmente aptos los aditivos que presentan un punto de ebullición de 250ºC o más.
Los aditivos utilizados según la invención son aptos para ser combinados con todos los separadores que están sujetos a los ataques oxidativos, en particular para ser combinados con los separadores a base de termoplásticos. Se prefieren particularmente los separadores que contienen, además del termoplástico, también un material de carga y aceite.
Preferentemente, los aditivos se combinan con los separadores a base de poliolefinas, de forma particularmente preferida con poliolefinas que contienen materiales de carga y pueden prepararse por conformado en caliente, tal como por extrusión o por prensado, seguido de extracción. Sin embargo, los aditivos son aptos también para la protección de separadores que contienen hilos o fibras de poliolefina, por ejemplo separadores en forma de velos.
Las poliolefinas preferidas son polietilenos, prefiriéndose para los fines de la invención en particular polietileno ultraaltomolecular. Se prefiere en particular la poliolefina ultraaltomolecular con un peso molecular promedio en peso de por lo menos 300.000, preferentemente de por lo menos 1,0 x 10^{6} y de forma particularmente preferida de por lo menos 5,0 x 10^{6} g/mol.
El peso molecular del polietileno se determina por medio de la ecuación de Margolies: M = 5,37 x 10^{4} [\eta]^{1,49}, en la que \eta es la viscosidad específica reducida en dl/g (Josef Berzen, CZ Chemie-Technik, 3. Jahrgang (1974), nº 4, p. 129).
Sin embargo, son aptos también el polipropileno, polibuteno, poliestireno, copolímeros de etileno/propileno, copolímeros de etileno/hexileno, copolímeros de etileno/buteno, copolímeros de propileno/buteno y copolímeros de etileno/propileno/buteno.
Preferentemente, los separadores según la invención contienen un 10 a un 100% en peso, de forma particularmente preferida un 15 a un 50% en peso y de forma especialmente preferida un 20 a un 40% en peso, de polímero, en particular de polietileno ultraaltomolecular, relativo a la suma de los pesos del material de carga y del políme-
ro.
Un material de carga preferido según la invención es SiO_{2}, y los materiales de carga especialmente preferidos son ácidos silícicos precipitados amorfos. Otros materiales de carga aptos son los óxidos y hidróxidos del silicio, aluminio y titanio, así como mica, talco, silicatos y bolas de vidrio. Materiales de carga de dicho tipo se conocen por ejemplo por los documentos US nº 3.351.495 y DE 14 96 123 A.
Preferentemente, los separadores según la invención presentan un contenido en material de carga comprendido entre un 0 y un 90% en peso, de forma particularmente preferida entre un 50 y un 85% en peso, y de forma especialmente preferida entre un 60 y un 80% en peso, relativo a la suma de los pesos del material de carga y del polímero, utilizándose como material de carga de forma preferida exclusivamente ácido silícico.
La relación en peso del material de carga al polímero está comprendida preferentemente entre 0 y 9,0, de forma particularmente preferida entre 1,0 y 5,7, y de forma especialmente preferida entre 1,5 y 4,0.
Otros aditivos que pueden utilizarse son en particular los aceites extraíbles, que por un lado sirven de plastificantes y por otro lado de formadores de poros. Los que son particularmente aptos son los líquidos conocidos por el documento DE 12 67 423 A, tales como por ejemplo los aceites de proceso. Por aceites o aceites de proceso se entienden preferentemente los aceites minerales. Preferentemente, el contenido en aceite del separador está comprendido entre un 5 y un 35% en peso, de forma particularmente preferida entre un 8 y un 30% en peso, y de forma especialmente preferida entre un 10 y un 25% en peso, relativo al peso total del separador tras la extracción.
Los separadores pueden contener, además de los componentes principales citados anteriormente, otros componentes convencionales, tales como negro de humo, antioxidantes, tales como por ejemplo bifenoles de alquilideno, lubricantes, otros materiales de carga, tales como por ejemplo talco y, si se desea, también otros polímeros en una cantidad más o menos subordinada. Negro de humo se utiliza preferentemente en una cantidad de un 5% en peso, como máximo, y los otros aditivos preferentemente en una cantidad de un 2% en peso, como máximo, en cada caso relativo al peso total del separador acabado.
Para la preparación de los separadores, se mezclan los materiales citados cuidadosamente de manera convencional, y la mezcla resultante se conforma calentándola para dar un material en forma de tira. A continuación, se extrae del mismo el aceite utilizando por ejemplo un disolvente orgánico, tal como hexano, hasta tal punto que se consigue la porosidad deseada. Finalmente, el material del separador se corta en función de la forma de aplicación deseada, es decir, se corta para dar el ancho final, se enrolla para dar rollos de aproximadamente 1000 metros de largo y se envasa. Las superficies del separador pueden estar lisas, nervadas o conformadas de cualquier otra forma. La composición y preparación de separadores de baterías son bien conocidas por el estado de la técnica citado anteriormente. Si los aditivos utilizados según la invención son solubles en el agente de extracción o son extraíbles con el mismo, se aplicarán preferentemente al separador tras la etapa de extracción. Sin embargo, los aditivos pueden adicionarse también al agente de extracción y aplicarse de esta manera al separador durante la extrac-
ción.
Los separadores se utilizan mayoritariamente en forma de bolsillos, en los que se insertan las placas de electrodos positivos o negativos. Las placas de electrodos insertados en bolsillos se combinan a continuación con las placas de carga opuesta no insertadas en bolsillos para dar bloques de placas y se insertan en una caja de bloque. Tras llenar la caja con ácido sulfúrico y cerrarla con una tapa de bloque, queda completado el acumulador de plo-
mo.
La invención se refiere también a acumuladores de plomo/ácido sulfúrico que comprenden dos placas de electrodos de cargas opuestas que contienen por lo menos un separador de baterías que comprende uno de los aditivos según la invención.
\newpage
Con la excepción de los aditivos utilizados según la invención, los acumuladores son acumuladores de plomo/ácido sulfúrico convencionales que comprenden electrodos convencionales y ácido sulfúrico como electrolito. Preferentemente, los acumuladores son baterías de arranque para vehículos motorizados. La caja puede componerse de cualquier material convencional, por ejemplo polipropileno, caucho duro, vidrio acrílico, poliestireno, vidrio,
etc.
A continuación, se ilustrará la invención con mayor detalle haciendo referencia a formas de realización ejemplificativas.
Ejemplos
Ejemplos 1 a 7
Utilización de 1-dodecanol como aditivo para impedir la oxidación prematura de separadores de baterías
En los ejemplos, se utilizarán, a menos que no se indique otra cosa, unos separadores de baterías a base de polietileno (UHMWPE) y ácido silícico precipitado. Los separadores se prepararon según el documento US nº 3.351.495 en una extrusora y, tras la extrusión, se extrajeron con hexano hasta un contenido en aceite en la hoja de base de aproximadamente un 12% en peso. La relación en peso utilizada del material de carga al polímero se ha especificado en cada uno de los ejemplos.
Para evaluar la eficacia de los aditivos, se utilizó una prueba de oxidación estandardizada (PEROX 80 Test), que corresponde sustancialmente al método para la determinación de la estabilidad a la oxidación de separadores de baterías (TM-3.229: Standard test method to determine resistance of battery separator to oxidative degradation using hydrogen peroxide in sulfuric acid as oxidizing medium) recomendado por la BCI (Battery Council Internatio-
nal).
A tal fin, se trataron probetas del material de separador a 80ºC con una mezcla de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno durante periodos distintos, y se comparó la dilatación del material antes y después de la prueba. El descenso de la dilatación es una medida de la degradación y reticulación, es decir, de la destrucción oxidativa del polímero. Como probeta de referencia servían separadores sin los aditivos según la invención, que fueron ensayados en condiciones idénticas.
Las probetas presentaban la forma de huesos de perros según la norma DIN 53455. La solución de oxidación estaba siempre recién preparada y se componía de 360 ml de ácido sulfúrico con una densidad de 1,28 g/cm^{3}, 35 ml de ácido sulfúrico con una densidad de 1,84 g/cm^{3} y 105 ml de una solución de peróxido de hidrógeno al 35%. Los componentes se mezclaron lentamente en el orden especificado con agitación y luego se calentaron en un recipiente de vidrio cerrado en un un baño María a 80ºC. En cada solución, se introdujeron dos portaprobetas con cinco probetas cada uno en la solución y se dejaron en la solución durante el periodo de prueba deseado. A continuación, se lavaron las probetas con agua tibia hasta quedarse libres de ácido, y se midió la dilatación. A tal fin, se estiraron las probetas con una velocidad de prueba de 300 mm/min hasta la rotura. Se midió la dilatación en dirección transversal de máquina (cross machine direction, CMD) (dilatación CMD). En cada una de las tablas que siguen a continuación, se ha indicado el promedio de diez valores medidos. Puesto que la dilatación inicial de los separadores puede variar por razones de proceso, se estandardizaron las dilataciones absolutas a la dilatación inicial:
\frac{\text{Dilatación absoluta tras x h. de prueba de peróxido en %}}{\text{Dilatación absoluta tras 0 h. de prueba de peróxido en %}}\times 100 = dilatación relativa tras x h. de prueba de peróxido
En los Ejemplos 2 a 7, se recubrieron hojas de separadores del tamaño 160 x 300 mm por un lado con una solución etanólica de 1-dodecanol de tal manera que tras el secado la hoja contenía un 0,7 a un 7,1% en peso de 1-dodecanol. En los ejemplos, todos los por cientos en peso, a menos que no se indique otra cosa, se refieren al peso del separador tras la extracción. Como probeta de referencia servía un separador sin tratar (Ejemplo 1). En los Ejemplos 1 a 7, la relación en peso del material de carga al polímero era en cada caso de 2,6.
Los separadores recubiertos con el aditivo se sometieron a la prueba de oxidación descrita anteriormente. Los separadores recubiertos con 1-dodecanol presentaban, tras finalizar la prueba, una dilatación residual mucho más alta que el separador sin tratar (ver la Tabla 1). Los resultados recopilados en la Tabla 1 demuestran que 1-dodecanol garantiza, incluso en condiciones de prueba extremas (80ºC, H_{2}O_{2}), una mejor protección del separador contra la degradación oxidativa incluso en pequeñas concentraciones.
TABLA 1 Estabilidad a la oxidación de separadores tras el tratamiento con 1-dodecanol (Prueba de oxidación)
Ejemplo
1*) 2 3 4 5 6 7
Cantidad de aditivo [% en peso] 0 0,7 1,4 2,1 2,8 3,5 7,1
Duración de la prueba de oxidación Dilatación absoluta [%]
0 h 263 269 282 266 271 267 291
20 h 152 186 234 235 233 252 272
40 h 108 156 204 181 197 249 254
72 h 0 46 82 112 135 234 247
Dilatación relativa [%]
72 h 0 17 29 42 50 88 85
*) \hskip0.15cm Ejemplo comparativo
Ejemplo 8 Investigación de separadores con 1-dodecanol en la prueba de baterías
Se repitieron los Ejemplos 2 a 7, recubriendo separadores con un 3,5% en peso de 1-dodecanol. La relación en peso del material de carga al polímero era de 2,2, y el contenido en aceite de un 12% en peso. Como probetas de referencia servía separadores sin tratar. Los separadores se ensayaron en una batería de plomo/ácido sulfúrico. A tal fin, se compusieron células de baterías constituidas por placas positivas que contenían antimonio y placas negativas de plomo/calcio (cinco placas positivas y cuatro negativas por célula) con una capacidad total de 36 Ah/célula. Tres células estaban dotadas de separadores recubiertos con dodecanol, las demás células estaban dotadas de los separadores sin tratar. La batería se sometió a 50ºC a una prueba de durabilidad en condiciones muy severas según la norma DIN 43539 2ª parte borrador 10/1980. A continuación, se abrieron las células, y se determinó la dilatación de los separadores en la zona de los bolsillos y por el borde de plegado.
Los resultados de la prueba de baterías se han recopilado en la Tabla 2. Los mismos muestran que el aditivo utilizado ofrece una mejora sustancial de la protección del separador contra los ataques oxidativos incluso en condiciones prácticas.
TABLA 2 Estabilidad a la oxidación de separadores tras el tratamiento con 1-dodecanol (Prueba de baterías)
Separador sin aditivo*) Separador con un 3,5% en peso
de 1-dodecanol
Antes de la prueba Después de la prueba Antes de la prueba Después de la prueba
Punto de medición Dilatación absoluta [%]**)
En la zona del bolsillo 493 \pm 42 357 \pm 46 513 \pm 39 551 \pm 49
Por el borde de plegado 493 \pm 42 316 \pm 24 513 \pm 39 429 \pm 33
Dllataclón relativa CMD**)
En la zona del bolsillo 100% 72% 100% 107%
Por el borde de plegado 100% 64% 100% 84%
*) \hskip0.3cm Probeta de referencia
**) \hskip0.15cm medido tras 264 ciclos de prueba
Ejemplos 9 a 11
Utilización de alcoholes grasos como aditivos para impedir la oxidación prematura de separadores de baterías
Se repitieron los Ejemplos 1 a 7, recubriendo los separadores por un lado con soluciones alcohólicas de 1-tetradecanol, 1-hexadecanol y 1-octadecanol. Tras el secado, cada uno de los separadores contenía una cantidad de un 3,5% en peso del aditivo. Los separadores se sometieron a la prueba de oxidación descrita en los Ejemplos 1 a 7. Los resultados se han recopilado en la Tabla 3.
Los separadores recubiertos con alcoholes grasos de alto peso molecular presentan también una estabilidad a la oxidación sustancialmente mejorada en comparación con el separador sin tratar (Ejemplo 1).
TABLA 3 Estabilidad a la oxidación de separadores tras el tratamiento con alcoholes grasos (Prueba de oxidación)
Ejemplo
6 9 10 11
Aditivo 1-dodecanol 1-tetradecanol 1-hexadecanol 1-octadecanol
Cantidad de aditivo [% en peso] 3,5 3,5 3,5 3,5
Duración de la prueba de oxidación Dilatación absoluta [%]
0 h 267 271 271 268
20 h 252 265 274 265
40 h 249 238 240 238
72 h 234 212 218 201
Dilatación relativa [%]
72 h 88 78 80 75
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplos 12 a 14
Comparación del efecto antioxidativo de aceite de proceso y de dodecanol
Por el estado de la técnica es conocido que la estabilidad a la oxidación de separadores puede mejorarse aumentando el contenido en aceite de proceso. En un experimento comparativo, se comparó el efecto del contenido de aceite sobre la estabilidad a la oxidación con el efecto de la misma cantidad de un aditivo según la invención (1-dodecanol). Los resultados se han representado en la Tabla 4. Puede apreciarse que el aditivo según la invención produce una mejora mucho más clara de la estabilidad a la oxidación. La preparación de los separadores y la realización de la prueba tuvieron lugar tal como se ha descrito en los Ejemplos 1 a 7. La relación en peso del material de carga al polímero era de 2,4. El aceite se extrajo en cada ejemplo hasta el contenido indicado en la tabla.
TABLA 4 Estabilidad a la oxidación de separadores tras el tratamiento con 1-dodecanol y el aumento del contenido de aceite (Prueba de oxidación)
Ejemplo 12*) 13*) 14
Aditivo ninguno ninguno 1-dodecanol (3,5% en peso)
Contenido en aceite [% en peso] 12,4 15,4 11,2
\newpage
TABLA 4 (continuación)
Ejemplo 12*) 13*) 14
Duración de la prueba de oxidación Dilatación absoluta [%]
0 h 407 431 419
20 h 313 370 406
40 h 218 346 388
72 h 99 204 326
96 h 0 77 218
Dilatación relativa [%]
96 h 0 18 52
*) \hskip0.15cm Ejemplo comparativo
Ejemplos 15 a 18
Utilización de alcoholes aloxilados como aditivos para impedir la oxidación prematura de separadores de baterías
Se repitieron los Ejemplos 1 a 7, tratando los separadores con alcoholes alcoxilados y sometiéndolos después a la prueba de oxidación. La relación en peso del material de carga al polímero era de 2,6. Se investigaron compuestos de la fórmula general R^{2}-(OC_{2}H_{4})_{p}-OH, en la que R^{2} y p tienen el significado indicado en la Tabla 5. Los resultados recopilados en la Tabla 5 muestran que los productos de adición de óxido de etileno con alcoholes de cadena larga son capaces de mejorar claramente la estabilidad a la oxidación de separadores de baterías.
TABLA 5 Estabilidad a la oxidación de separadores tras el tratamiento con etoxilatos de alcoholes grasos (Prueba de oxidación)
Ejemplo
1*) 6 15 16 17 18
Aditivo: R^{2}-(OC_{2}H_{4})_{p}-OH
R^{2} C_{12} C_{12} C_{12} C_{16/18} C_{16/18} C_{16/18}
p - - 2 2 5 11
Cantidad de aditivo [% en peso] 0 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5
Duración de la prueba de oxidación Dilatación absoluta [%]
0 h 263 267 281 292 279 284
20 h 152 252 246 242 279 257
40 h 108 249 224 260 227 234
72 h 0 234 145 212 159 84
Dilatación relativa [%]
72 h 0 88 52 73 57 30
*) \hskip0.15cm Ejemplo comparativo
Ejemplo 19 Utilización de ésteres de ácido ftálico como aditivos para impedir la oxidación prematura de separadores de baterías
Se repitieron los Ejemplos 1 a 7, preparando separadores y ajustando su contenido en aceite en un 12% en peso por extracción con hexano. La relación en peso del material de carga al polímero era de 2,2. A diferencia de los Ejemplos 1 a 7, para el tratamiento de los separadores según la invención se adicionó al baño de hexano 1 o 2% en peso de ftalato de estearilo. Tras la extracción, los separadores se retiraron del baño y, tras hacerlos escurrir, se secaron a temperatura ambiente. Tras el secado, los separadores contenían 1 ó 2% en peso de ftalato de estearilo. Según la Tabla 6, con el ftalato de estearilo se consigue una protección eficaz del separador contra la oxidación prematura. El ácido de batería disocia el ftalato de estearilo en ácido ftálico y octadecanol, que es un aditivo apto según la
invención.
TABLA 6 Estabilidad a la oxidación de separadores tras el tratamiento con ftalato de estearilo (Prueba de oxidación)
Aditivo ninguno Ftalato de estearilo
1% en peso 2% en peso
Duración de la prueba de oxidación Dilatación absoluta
0 h 498 498 512
72 h 78 211 251
Dilatación relativa
72 h 16 42 49
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplos 20 a 26
Utilización de poliacrilatos como aditivos para impedir la oxidación prematura de separadores de baterías
Se repitieron los Ejemplos 1 a 7, preparando separadores de baterías a base de polietileno (UHMWPE) y dióxido de silicio amorfo a una relación en peso del material de carga al polímero de 2,2. A diferencia de los Ejemplos 1 a 7, al material de separador se adiciono, antes de la extrusión, ácido poliacrílico o la sal sódica de ácido poliacrílico, estando indicadas las cantidades de ácido poliacrílico presentes en el separador tras la extracción en la Tabla 7. A continuación, los separadores se sometieron a la prueba de oxidación. Los resultados resumidos en la Tabla 7 muestran que las sales del ácido poliacrílico permiten una protección eficaz de los separadores contra la oxidación prematura. Al contrario, el ácido poliacrílico libre era prácticamente sin efecto. Por los resultados puede apreciarse también que los ácidos poliacrílicos no se eliminan por lavado del separador durante la extracción.
TABLA 7 Estabilidad a la oxidación de separadores que contienen ácido poliacrílico (Prueba de oxidación)
Ejemplo 20*) 21 22 23 24 25 26*)
Aditivo ninguno Ácido poliacrílico
Peso molecular medio [g/mol] - 1.200 4.000 8.000 15.000 30.000 100.000
Forma - Sal**) Sal**) Sal**) Sal**) Sal**) Ácido
Valor K***) - 15 25 30 40 50 80
Concentración [% en peso] - 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0
\newpage
TABLA 7 (continuación)
Ejemplo 20*) 21 22 23 24 25 26*)
Duración de la prueba de oxidación Dilatación absoluta [%]
0 h 508 522 468 530 499 504 447
20 h 420 446 413 410 456 485 418
40 h 303 427 394 413 450 457 211
72 h 21 333 273 240 244 224 16
Dilatación relativa [%]
72 h 4 64 58 45 49 44 4
*) \hskip0.34cm Ejemplo comparativo
**) \hskip0.16cm Se utilizó la sal sódica de ácido poliacrílico (forma completamente neutralizada)
***) \begin{minipage}[t]{150mm} Constante de Fikent, medido en una solución acuosa al 1%, neutralizada con sosa cáustica, parámetro para caracterizar el grado de polimerización y el peso molecular \end{minipage}
Ejemplos 27 a 28
Utilización de copolímeros de ácido poliacrílico como aditivos para impedir la oxidación prematura de separadores de baterías
Se repitieron los Ejemplos 20 a 26, preparando y ensayando separadores que contenían copolímeros de ácido poliacrílico en lugar de ácido poliacrílico. En el Ejemplo 27, se utilizó el polímero Sokolan CP 10, y en el Ejemplo 28 Sokolan CP 10 S (ambos de la empresa BASF, Ludwigshafen). Los resultados se han representado en la Tabla 8. Aquí también la forma de sal de los polímeros da lugar a una buena protección contra la oxidación, mientras que la forma acídica es prácticamente sin efecto.
TABLA 8 Estabilidad a la oxidación de separadores que contienen copolímeros de ácido poliacrílico (Prueba de oxidación)
Ejemplo 23*) 27 28
Aditivo ninguno Copolímero de ácido poliacrílico
Peso molecular medio [g/mol] - 4.000 4.000
Forma - Sal**) Ácido
Concentración [% en peso] - 2,0 2,0
Duración de la prueba de oxidación Dilatación absoluta [%]
0 h 508 521 556
20 h 420 465 506
40 h 303 433 375
72 h 21 279 43
Dilatación relativa [%]
72 h 4 54 8
*) \hskip0.34cm Ejemplo comparativo
**) \hskip0.16cm se utilizó la sal sódica de ácido poliacrílico (forma completamente neutralizada)

Claims (18)

1. Separador de baterías a base de poliolefina termoplástica, ultraaltomolecular con un peso molecular promedio en peso de por lo menos 300.000, caracterizado porque contiene, relativo a la suma de los pesos del material de carga y de la poliolefina, entre 10 y 100% en peso de poliolefina y entre 0 y 90% en peso de un material de carga y, relativo al peso del separador, entre 5 y 35% en peso de aceite y entre 0,5 y 5,0% en peso de un compuesto según la fórmula (I)
(I)R(OR^{1})_{n} (COOM^{x+}{}_{1/x})_{m}
en la que
R
es un radical de hidrocarburo no aromático de 10 a 4.200 átomos de carbono, que puede estar interrumpido por átomos de oxígeno,
R^{1}
es H, -(CH_{2})_{k}COOM^{x+}_{1/x} ó -(CH_{2})_{k}-SO_{3}M^{x+}_{1/x}, siendo k 1 ó 2,
M
es un ion de un metal alcalino o alcalinotérreo, H^{+} ó NH_{4}^{+}, en el que no todas las variables M son simultáneamente H^{+},
n
es 0 ó 1,
m
es 0 o un número entero de 10 a 1.400 y
x
es 1 ó 2,
en la que la relación entre los átomos de oxígeno y los átomos de carbono en el compuesto según la fórmula (I) está comprendida entre 1:1,5 y 1:30 y n y m no pueden ser simultáneamente cero.
2. Separador de baterías según la reivindicación 1, caracterizado porque contiene un compuesto según la fórmula (I), en la que
R
es un radical de hidrocarburo de 10 a 180 átomos de carbono, que puede estar interrumpido por entre 1 y 60 átomos de oxígeno,
n
es 1,
m
es 0 y
x
es 1 ó 2.
3. Separador de baterías según la reivindicación 2, caracterizado porque R es un radical de hidrocarburo de la fórmula R^{2}-[(OC_{2}H_{4})_{p}(OC_{3}H_{6})_{q}]-, en la que
R^{2}
es un radical alquilo de 10 a 30 átomos de carbono,
p
es un número entero de 0 a 30 y/o
q
es un número entero de 0 a 30.
4. Separador de baterías según la reivindicación 3, caracterizado porque
p
es un número entero de 0 a 10 y
q
es un número entero de 0 a 10.
5. Separador de baterías según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque la suma de p y q es inferior o igual a 10.
6. Separador de baterías según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque R^{1} es H.
7. Separador de baterías según la reivindicación 1, caracterizado porque contiene un compuesto según la fórmula (I), en la que
R
es un radical de alcano de 20 a 4.200 átomos de carbono,
M
es un ion de un metal alcalino o alcalinotérreo, H^{+} o NH_{4}^{+}, en el que no todas las variables son simultáneamente H^{+},
n
es 0,
m
es un número entero de 10 a 1.400 y
x
es 1 ó 2.
8. Separador de baterías según la reivindicación 7, caracterizado porque R es un radical de alcano con entre 50 y 750 átomos de carbono.
9. Separador de baterías según la reivindicación 7 ó 8, caracterizado porque el compuesto según la fórmula (I) es un ácido poli(met)acrílico, cuyos grupos acídicos están neutralizados por lo menos en parte.
10. Separador de baterías según la reivindicación 9, caracterizado porque por lo menos un 40% de los grupos acídicos del ácido poli(met)acrílico están neutralizados.
11. Separador de baterías según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado porque M es Li^{+}, Na^{+} o K^{+}.
12. Separador de baterías según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque el ácido poli(met)acrílico presenta un peso molecular promedio Mw comprendido entre 1.000 y 100.000 g/mol.
13. Separador de baterías a base de poliolefina termoplástica, ultraaltomolecular con un peso molecular promedio en peso de por lo menos 300.000, caracterizado porque contiene un componente que es capaz, al utilizar el separador conforme a lo previsto, de formar un compuesto de la fórmula (I)
(I)R(OR^{1})_{n} (COOM^{x+}{}_{1/x})_{m}
en la que
R
es un radical de hidrocarburo no aromático de 10 a 4.200 átomos de carbono, que puede estar interrumpido por átomos de oxígeno,
R^{1}
es H, -(CH_{2})_{k}COOM^{x+}_{1/x} o -(CH_{2})_{k}-SO_{3}M^{x+}_{1/x}, siendo k 1 ó 2,
M
es un ion de un metal alcalino o alcalinotérreo, H^{+} o NH_{4}^{+}, en el que no todas las variables M son simultáneamente H^{+},
n
es 0 ó 1,
m
es 0 o un número entero de 10 a 1.400 y
x
es 1 ó 2,
en la que la relación entre los átomos de oxígeno y los átomos de carbono en el compuesto según la fórmula (I) está comprendida entre 1:1,5 y 1:30 y n y m no pueden ser simultáneamente cero.
14. Acumulador de plomo/ácido sulfúrico que comprende por lo menos dos placas de electrodos de cargas opuestas, caracterizado porque contiene por lo menos un separador de baterías según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
15. Procedimiento para la preparación de un separador de baterías según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque a un separador de baterías se aplica un compuesto de la fórmula (I) o una solución del compuesto de la fórmula (I) y, a continuación, si se desea, se seca el separador.
16. Procedimiento para la preparación de un separador de baterías según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque se prepara una mezcla homogénea de una poliolefina termoplástica ultraaltomolecular, por lo menos un compuesto de la fórmula (I) y, si se desea, un material de carga y otros aditivos, conformando la misma para obtener un material en forma de tira y, a continuación, se eliminan, si se desea, uno o más de los otros aditivos.
17. Utilización de un compuesto de la fórmula (I) para preparar separadores de baterías.
18. Utilización de un compuesto de la fórmula (I) para mejorar la estabilidad a la oxidación de separadores de baterías.
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