ES2273453T3 - Bateria con placas de electrodos encapsulados. - Google Patents
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Abstract
UNA BATERIA DE ELECTROLITO AGOTADO UTILIZA SEPARADORES DE PLACAS DE ELECTRODOS DEL TIPO DE ESTERA FIBROSA ELASTICA. LOS SEPARADORES ELASTICOS DE PLACAS DE ELECTRODOS SE EXTIENDEN MAS ALLA DE LOS BORDES PERIFERICOS DE LAS PLACAS DE ELECTRODOS EN LAS PILAS DE PLACAS DE LA BATERIA Y: A) ENCAPSULAN, AL MENOS, LAS PRINCIPALES SUPERFICIES Y ALGUNAS PARTES, Y PREFERENTEMENTE LA TOTALIDAD, DE LOS BORDES DE LAS PLACAS DE ELECTRODOS, Y B) FORMAN DEPOSITOS DE ELECTROLITO DENTRO DE LA BATERIA EXTERIORMENTE A LAS PILAS DE PLACAS. LOS SEPARADORES DE ESTERA FIBROSA ELASTICA SE REALIZAN PREFERENTEMENTE CON MICROFIBRAS, Y PUEDEN SER DE DENSIDAD BASICAMENTE UNIFORME EN TODO SU ESPESOR, O BIEN INCLUIR UNA O MAS CAPAS SUPERFICIALES FIBROSAS CON ELEVADA DENSIDAD Y RESISTENCIA A LA TRACCION, Y UNA CAPA FIBROSA DE DENSIDAD RELATIVAMENTE BAJA Y MAS ELASTICA QUE SE SITUA DE FORMA INTEGRAL CON LAS DOS CAPAS SUPERFICIALES Y, EN OTRA REALIZACION, EN POSICION INTERMEDIA ENTRE AMBAS.
Description
Batería con placas de electrodos
encapsulados.
La presente invención está dirigida a baterías
con electrolito subalimentado ("starved") y, en particular, a
baterías con electrolito subalimentado en las que las placas de
electrodo se encuentran encapsuladas por lo menos parcialmente en
el interior de separadores de esterilla fibrosa elástica que se
extienden más allá de los bordes periféricos de las placas de
electrodo tanto para encapsular las placas de electrodo como para
disponer depósitos de electrolito externos al apilamiento de placas
de electrodo.
Se utilizan comúnmente las baterías recargables,
tales como las baterías estancas, de electrolito subalimentado,
plomo-ácido, como fuentes de energía en vehículos, aviones, equipos
de emergencia y similares. Estas baterías, que típicamente varían
en tamaño desde baterías de tamaño "D" o "lata de cerveza"
a baterías de mayor tamaño, son tanto baterías de celda única como
de celdas múltiples. Actualmente, cada celda de una batería de
plomo-ácido, de electrolito subalimentado de celda única o de
celdas múltiples se define por un compartimento estanco que aloja
un paquete de celdas que incluye por lo menos una placa de electrodo
porosa, positiva, por lo menos una placa de electrodo porosa,
negativa, y por lo menos un separador de esterilla de microfibra de
vidrio, porosa, relativamente frágil, entre las placas de
electrodo. Un electrolito de ácido sulfúrico en el interior de cada
celda es subalimentado por el separador o separadores de esterilla
de microfibra de vidrio, porosos, y las placas de electrodo
porosas. De esta manera, los separadores utilizados en las baterías
de plomo-ácido, de electrolito subalimentado están destinados para
funcionar tanto como separadores entre las placas de electrodo
positiva y negativa de las celdas para mantener las separaciones
entre las placas de electrodo positiva y negativa como también para
evitar la formación de cortocircuitos en el interior de las celdas;
y como depósitos para retener el electrolito en el interior de las
celdas entre las placas de electrodo positiva y negativa.
Los cortocircuitos en el interior de las celdas
de las baterías de electrolito subalimentado pueden tener lugar
debido al contacto directo entre las placas de electrodo positiva y
negativa cuando la separación entre las placas de electrodo no se
mantiene o debido a la formación de dendritas o partículas en forma
de "musgo" de los materiales de electrodo entre las placas de
electrodo positiva y negativa. Durante la vida útil de dichas
baterías, las placas de electrodo se expanden y contraen
repetidamente debido a cambios en la morfología y densidad del
material activo producidos por las reacciones químicas en el
interior de las celdas, produciendo la energía eléctrica. De esta
manera, para mantener la separación entre las placas de electrodo
positiva y negativa durante la vida útil de dicha batería y
prolongar su vida útil, los separadores que sostienen el
electrolito deben ser elásticos para mantener el contacto con las
placas de electrodo y evitar cortocircuitos a través del contacto
placa a placa. Además, los separadores deben estar libres de
aberturas, formadas en los separadores tanto durante su fabricación
como durante la manipulación de los separadores y el montaje de las
celdas de batería, para evitar o inhibir la formación de
crecimientos, salientes o dendritas de material activo que puede
provocar cortocircuitos entre las placas de electrodo a través de
dichas aberturas durante la vida útil de las baterías.
Los cortocircuitos también pueden tener lugar en
baterías de electrolito subalimentado debido a la acumulación de
salientes de placa de electrodo en el interior de una celda de
batería externa al apilamiento de placas de electrodo. Para evitar
cortocircuitos entre las placas de electrodo en el interior de una
celda, causados por la formación de salientes a partir de las
placas de electrodo que se acumulan en las celdas de batería
externas al apilamiento de placas de electrodo y entre los bordes
periféricos de las placas de electrodo, las placas de electrodo
(incluyendo los bordes de las placas de electrodo en su totalidad o
en parte) deben ser encapsuladas en el interior de los
separadores.
separadores.
Dado que los separadores en las baterías de
electrolito subalimentado, tales como baterías de plomo-ácido de
electrolito subalimentado, también funcionan como depósitos de
electrolito, la capacidad de dichas baterías es función tanto de la
porosidad y las áreas superficiales de las placas de electrodo como
de la porosidad y las áreas superficiales de los separadores en
contacto con las superficies de las placas de electrodo. De este
modo, para mantener el electrolito entre las placas de electrodo
positiva y negativa y para mantener las superficies principales de
los separadores en contacto con las superficies de las placas de
electrodo, los separadores de dichas baterías deben ser elásticos
de manera que los separadores continúen recubriendo en grosor tras
las repetidas expansiones y contracciones de las placas de electrodo
durante la vida útil de dichas baterías. También sería beneficioso
para los separadores prever el almacenamiento de electrolito
adicional, en depósitos externos a los apilamientos de placas, que
pueden ser extraídos hacia las partes de los separadores
intermedios entre las placas de electrodo para incrementar la
capacidad y/o el ciclo de vida útil de las celdas de batería.
Actualmente, esterillas o papeles delgados, de
peso ligero, de fibras de vidrio, fibras poliméricas y/u otras
fibras (por ejemplo, esterillas o papeles que varían desde
aproximadamente 100 a 450 gramos por metro cuadrado, tal como
esterillas separadoras de microfibra de vidrio para baterías) se
fabrican en diversos procesos de depósito en húmedo. En estos
procesos de fabricación de papel de depósito en húmedo, las fibras
se fabrican mediante diversos procesos y se acumulan en una masa.
Las fibras de vidrio y/o poliméricas se procesan mediante
hidropulpado a continuación en fibras muy cortas y se introducen y
dispersan en una pasta acuosa que se agita para provocar que las
fibras se mezclen completa y aleatoriamente entre sí. A
continuación, las fibras se depositan a partir de la emulsión
acuosa sobre un papel convencional formando una pantalla o malla
como en una máquina Fourdrinier o una máquina Rotoformer para
formar un papel entretejido. Cuando se desea utilizar como un
separador de batería, el papel entretejido se procesa a continuación
a través de un baño ácido para unir las fibras del papel
entretejido entre sí. Una vez el papel entretejido se forma y se
procesa a través del baño ácido, el papel entretejido se seca y
enrolla en un cilindro o se acumula de alguna otra manera en un
modo convencional para un procesado adicional, tal como ser cortado
en tamaños seleccionados para utilizar como un separador de
batería.
Estos procesos para formar el papel entretejido
delgado, de peso ligero, dan lugar a separadores de papel
entretejido que, por lo menos en parte debido a las longitudes
relativamente cortas de las fibras por hidropulpado en la
esterilla, muestran únicamente una limitada recuperación tras la
compresión y una baja integridad. Estos separadores de papel
entretejido pueden tener también aberturas a través de las que se
pueden formar crecimientos o dendritas de material activo entre las
placas de electrodo y a menos que estos separadores se formen en
bolsas o medios de encapsulado similares, estos separadores no
evitan la acumulación de los salientes en las celdas de batería,
que podría provocar cortocircuitos entre las placas de electrodo. De
esta manera, las baterías que utilizan estos separadores de papel
entretejido, con su recuperación limitada, integridad limitada y
capacidad limitada para evitar la formación de crecimientos o
dendritas de material activo y evitar la formación de salientes en
el interior de una celda, pueden experimentar fallo prematuro, y ha
habido una necesidad de baterías en las que se minimicen o eliminen
los problemas anteriores.
El documento WO 98/12759 se refiere a una
esterilla elástica para utilizar como separador en baterías de
electrolito subalimentado. En por lo menos una dirección, el
separador tiene una extensión más alta que los electrodos. Debido a
la elasticidad del separador, su grosor entre los electrodos se
reduce mientras que el grosor de las partes del separador que se
encuentran en la parte exterior de los electrodos se incrementa a
grosores expandidos iguales a 110% o 120% o más de la separación
entre los electrodos.
El documento GB 614.126 describe una batería
secundaria que comprende placas revestidas y separadores laminares
que tienen características elásticas. El separador se comprime entre
las placas de electrodo y el grosor de la parte del separador que
sobresale entre los electrodos es mayor que entre las placas de
electrodo.
El documento US 4.788.113 da a conocer una
envolvente separadora para un electrodo.
El documento US 4.871.428 muestra una batería de
plomo-ácido que tiene un separador absorbente electrolítico.
La presente invención se refiere a baterías de
electrolito subalimentado, según la reivindicación 1, tales como
baterías de plomo-ácido de electrolito subalimentado, que incorporan
separadores de esterilla fibrosa elástica en las celdas de las
baterías como separadores entre las placas de electrodos, como
depósitos de electrolito para mantener el electrolito entre las
placas de electrodos, y como medios para encapsular las placas de
electrodo comprendiendo los bordes periféricos de las placas de
electrodo en su totalidad o en parte. Los separadores de esterilla
fibrosa elástica se comprimen entre las superficies principales de
las placas de electrodo en una celda de batería y se extienden más
allá de los perímetros de las placas de electrodo, en los que se
expanden, debido a su elasticidad, para encapsular uno o más de los
bordes periféricos de las placas de electrodo para evitar la
formación de salientes de material activo desde las placas de
electrodo que pueden provocar cortocircuitos en el interior de la
celda de batería y para mantener electrolito adicional que puede
incrementar la capacidad y/o vida útil del ciclo de la celda de
batería.
Preferentemente, las esterillas fibrosas,
elásticas utilizadas en las baterías de la presente invención están
hechas a partir de fibras de vidrio, fibras poliméricas, fibras de
celulosa y/u otras fibras que muestran una buena integridad.
Mientras que las esterillas fibrosas, elásticas, utilizadas en los
separadores de la presente invención pueden ser fabricadas de
fibras de diámetro de mayor dimensión y de mayores grosores que
aquellas preferentes para la presente invención, los separadores de
esterilla fibrosa elástica, utilizados en las baterías de la
presente invención, se forman preferentemente a partir de esterillas
o láminas fibrosas en capas, depositadas por aire, finas, de
microfibras entrelazadas, orientadas aleatoriamente, que minimizan
la presencia de aberturas no deseables en las esterillas fibrosas
depositadas en capas a través de las que se pueden formar
dendritas.
En un tipo de los separadores preferentes
utilizados en las baterías de electrolito subalimentado de la
presente invención, los separadores de esterilla fibrosa elástica
están fabricados a partir de esterillas fibrosas elásticas de
microfibras que incluyen una o dos capas superficiales fibrosas de
relativamente elevada densidad, elevada resistencia a la tracción y
una capa fibrosa más elástica, relativamente de baja densidad,
integral con las dos capas superficiales y, en una realización,
intermedia entre las mismas. Preferentemente, la esterilla no
contiene aglomerante y las microfibras de la capa o capas
superficiales de la esterilla se encuentran más entrelazadas que
las microfibras de la capa elástica para obtener una mayor
integridad con la esterilla.
Las esterillas fibrosas, de capas múltiples,
elásticas, utilizadas para formar los separadores de estas primera
y segunda realizaciones de la presente invención se forman
preferentemente a partir de láminas fibrosas, depositadas por aire,
elásticas, sujetando una o ambas superficies de las láminas
depositadas por aire para el hidroentrelazado (utilizando agua o
una solución ácida como líquido) para incrementar el entrelazado de
las fibras en la superficie o superficies principales de las
láminas, o adyacentes a las mismas, con respecto al entrelazado de
las fibras en las capas fibrosas elásticas de las láminas. El
entrelazado adicional de las fibras en la superficie o superficies
principales de las láminas, o adyacentes a las mismas, incrementa la
resistencia a la tracción de las láminas en su superficie o
superficies, a la vez que retiene la elasticidad de las capas
fibrosas elásticas del interior de las láminas, de manera que los
separadores fibrosos, elásticos, depositados en capas, formados a
partir de las láminas, tienen una buena integridad y retienen su
elasticidad tras ser sometidos a ciclos de compresión y expansión
repetida en baterías de electrolito subalimentado estancas. Después
de que se forman la capa o capas superficiales, la lámina se seca
para formar una esterilla fibrosa de capas múltiples, elástica. Los
separadores de esterilla fibrosa elástica se forman a partir de
estas esterillas de capas múltiples cortando las esterillas
fibrosas elásticas a las dimensiones y formas deseadas para los
separadores.
En otro tipo de los separadores preferentes
utilizados en las baterías de electrolito subalimentado de la
presente invención, los separadores de esterilla fibrosa elástica
están hechos a partir de esterillas fibrosas, afieltradas
depositadas por aire, elásticas, de microfibras orientadas
aleatoriamente, que tienen preferentemente densidades
sustancialmente uniformes a lo largo de sus grosores. Estas
esterillas fibrosas elásticas se fabrican formando láminas
depositadas por aire, de microfibras orientadas aleatoriamente;
irrigando las láminas fibrosas depositadas por aire con un líquido
tal como agua o una solución ácida; generando un vacío a través de
las láminas fibrosas para retirar el líquido de las láminas
fibrosas y fijar su grosor; y secando las láminas fibrosas para
formar las esterillas fibrosas elásticas. Los separadores de
esterillas fibrosas elásticas se forman a continuación a partir de
estas esterillas multicapa cortando las esterillas fibrosas
elásticas en las dimensiones y formas deseadas para los
separadores.
Los grosores y la elasticidad de los separadores
de esterilla fibrosa elástica preferentes, utilizados en las
baterías de electrolito subalimentado de la presente invención, no
sólo mantienen las placas de electrodo adecuadamente separadas sino
que mantienen el electrolito intermedio y en contacto con las placas
de electrodo, encapsulan los bordes de las placas de electrodo y
crean depósitos de electrolito externos a los apilamientos de placa
de celda a través de su expansión (el "efecto hongo"), los
grosores y la elasticidad de los separadores de batería preferentes
utilizados en las baterías de electrolito subalimentado de la
presente invención aplican una presión más uniforme a las
superficies principales de las placas de electrodo para impedir que
el material activo de las placas de electrodo se separe de las
rejillas de las placas de electrodo, y también pueden mejorar la
capacidad de las celdas de resistir condiciones vibracionales sin
daño apreciable en los apilamientos de placa de electrodo. Además,
la flexibilidad de los separadores de batería preferentes,
utilizados en las baterías de electrolito subalimentado de la
presente invención, permite que estos separadores de batería sean
doblados o envueltos alrededor de los bordes de las placas de
electrodo de un apilamiento de placas sin desgarro, fractura o
algún tipo de fallo.
La figura 1 es una vista esquemática, en
perspectiva, de una batería de electrolito subalimentado de la
presente invención, con una parte separada para mostrar separadores
de esterilla fibrosa elástica situados entre las placas de
electrodo positiva y negativa y encapsulando las superficies y
bordes principales de las placas de electrodo.
La figura 2 es una vista esquemática, en sección
transversal, tomada sustancialmente a lo largo de las líneas
(2-2) de la figura 1.
La figura 3 es una vista esquemática, en sección
transversal, a través de un una batería de electrolito subalimentado
de la presente invención, que muestra una realización en la que las
superficies y bordes principales de las placas de electrodo se
encuentran encapsulados por separadores envueltos alrededor de cada
segunda placa de electrodo.
La figura 4 es una vista esquemática, en sección
transversal, a través de una batería de electrolito subalimentado
de la presente invención, que muestra una realización en la que las
superficies y bordes principales de las placas de electrodo se
encuentran encapsulados por separadores envueltos alrededor de cada
placa de electrodo.
La figura 5 es una vista esquemática, en
perspectiva, de una batería de electrolito subalimentado de la
presente invención, en la que los bordes superiores de las placas
de electrodo no se encuentran encapsulados en el interior de
separadores elásticos.
Las figuras 1 y 2 muestran esquemáticamente una
primera realización de la batería de electrolito subalimentado (20)
de la presente invención, por ejemplo, una batería de plomo-ácido de
electrolito subalimentado. La batería de electrolito subalimentado
(20) comprende un contenedor (no mostrado) en el que se posicionan
una o más celdas conectadas en serie. Cada celda comprende una o
más placas de electrodo positivas (22); una o más placas de
electrodo negativas (24); uno o más separadores elásticos (26)
interpuestos entre las placas de electrodo positiva y negativa (22)
y (24); un electrolito subalimentado en las placas de electrodo
positivas y negativa y los separadores; un conductor de electrodo
positivo (28) que une las placas de electrodo positivas (22) a una
celda adyacente o al terminal de batería positivo; y un conductor de
electrodo negativo (30) que une las placas de electrodo negativas
(24) a una celda adyacente o a un terminal de batería negativo.
Cuando están montadas, las placas de electrodo
positivas (22) y las placas de electrodo negativas (24) en la celda
o celdas de la batería de electrolito subalimentado (20) están
separadas entre sí un espacio o distancia seleccionada que varía
típicamente de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 0,2 pulgadas
(2,5 - 5,0 mm). Durante la vida útil de la batería, las placas de
electrodo (22) y (24) se expanden repetidamente cuando la batería
se encuentra en uso, debido a cambios en la morfología resultantes
de la reacción química que produce la energía eléctrica, y luego se
contraen cuando la batería está recargada. Así pues, durante la vida
útil de la batería, la separación entre las placas de electrodo
varía a medida que la batería se encuentra en ciclo, y es importante
tener separadores en el interior de dichas baterías que continúan
recuperándose en grosor tras repetidas compresiones y expansiones
de los separadores. Aunque las placas de electrodo (22) y (24) y los
separadores (26) tienen forma rectangular, tal como se muestra, las
placas de electrodo y los separadores utilizados en las baterías de
electrolito subalimentado de la presente invención pueden tener
otras formas, tales como, aunque no se limitan a ellas, circular,
cuadrada, ovalada u otras configuraciones utilizadas en las celdas
de batería.
Tal como se muestra en las figuras 1 y 2, los
separadores elásticos (26) se dimensionan para extenderse más allá
de las placas de electrodo hasta el punto en que la elasticidad de
los separadores (26), combinada con sus grosores sin comprimir o
expandidos, provoca que los separadores encapsulen los bordes
periféricos (32) y (34)así como las superficies principales
de las placas de electrodo (22) y (24). Aunque es preferible
encapsular completamente las placas de electrodo (22) y (24) en el
interior de los separadores (26) tal como se muestra en las figuras
1 y 2, para ciertas aplicaciones puede ser necesario o deseable
dejar encapsuladas una parte o partes del borde o bordes
periféricos de una o más placas de electrodo. Por ejemplo, cuando
únicamente se necesita o desea capacidad de depósito adicional
limitada para una celda o cuando la formación de salientes del
material activo puede ser tolerada hasta cierto punto en una celda,
se puede encapsular únicamente un borde (por ejemplo, el borde
inferior) de cada placa de electrodo, extendiendo el material
separador más allá de este borde para formar un depósito de
electrolito y encapsular los bordes inferiores de las placas de
electrodo. La figura 5 muestra un ejemplo de una batería de
electrolito subalimentado (20') de la presente invención, en la que
los bordes inferior y lateral de las placas de electrodo se
encapsulan y los bordes superiores de las placas de electrodo no se
encapsulan.
Tal como se muestran en las figuras 1 y 2,
existen una serie de separadores elásticos individuales (26) que
separan las placas de electrodo (22) y (24). Excepto un separador
elástico (26') situado en cada extremo del apilamiento de placas
para encapsular las superficies y bordes principales externos de las
placas de electrodo extremas, cada separador elástico individual
(26) está situado intermedio entre dos placas de electrodo y se
extiende más allá de los bordes periféricos de las placas de
electrodo a una distancia seleccionada suficiente para asegurar que
la elasticidad de cada separador, combinada con su grosor sin
comprimir o expandido, más la elasticidad y el grosor o grosores
sin comprimir o expandidos de un separador o separadores adyacentes
en la serie de separadores provoca que los separadores hagan tope
externamente a los bordes periféricos de las placas de electrodo en
el apilamiento de placas para encapsular las placas de electrodo,
incluyendo los bordes de las placas de electrodo, en el interior de
los separadores.
En otras palabras, los separadores elásticos
(26) de baterías de electrolito subalimentado (20) tienen
dimensiones en una dirección o direcciones seleccionadas (en ambas
direcciones horizontal y vertical en las figuras 1 y 2) mayores que
las dimensiones correspondientes en la dirección o direcciones
seleccionadas de las superficies principales de las placas de
electrodo (22) y (24), de manera que los separadores elásticos (26)
se extienden más allá de los bordes periféricos de las placas de
electrodo en el apilamiento de placas. Las dimensiones de los
separadores en la dirección o direcciones seleccionadas son
suficientemente mayores que las dimensiones correspondientes de las
placas de electrodo en la dirección o direcciones seleccionadas para
proporcionar una cantidad de material separador fibroso elástico,
externo a los bordes periféricos de las placas de electrodo en la
dirección o direcciones seleccionadas, suficiente para expandir,
debido a la elasticidad del material de separador fibroso elástico,
a un grosor expandido o sin comprimir, por lo menos igual al espacio
o distancia seleccionada entre las placas de electrodo, tal como se
monta, más el grosor del borde periférico de una de las placas de
electrodo adyacente. Así pues, el material separador fibroso
elástico de cada separador (26), externo a los bordes de placa de
electrodo en la dirección o direcciones seleccionadas, se extiende
sobre por lo menos una mitad del grosor del borde de cada una de
las dos placas de electrodo adyacentes para encapsular por lo menos
parcialmente los bordes de las dos placas de electrodo adyacentes.
El material separador fibroso, elástico, expandido, externo de los
bordes periféricos de las placas de electrodo, de los separadores
adyacentes (26) y (26') en la serie de separadores hacen tope y
cooperan entre sí para encapsular completamente los bordes de las
placas de electrodo en la dirección o direcciones seleccionadas.
La figura 3 muestra una parte de una batería de
electrolito subalimentado de la presente invención, en la que cada
placa de electrodo en el apilamiento de placas tiene un separador
elástico (126) envuelto alrededor de una parte de su borde
periférico. Aunque los separadores elásticos (126) se envuelven
alrededor de las partes del borde inferior de las placas de
electrodo positivas (22), tal como se muestra, los separadores
elásticos (126) pueden estar envueltos alrededor de partes de los
bordes de las placas de electrodo negativas (24) en vez de las
placas de electrodo positivas y las partes del borde alrededor de
las que los separadores elásticos se envuelven, pueden ser otras
que las partes de borde inferior. Tal como en la realización de las
figuras 1 y 2, las partes de los separadores (126) externas a los
bordes periféricos de las placas de electrodo se expanden para
hacer tope entre sí y encapsular los bordes periféricos, así como
las superficies principales de las placas de electrodo (22) y (24)
en el interior del material separador. Además, tal como en la
realización de las figuras 1 y 2, en caso deseado, las partes de
los bordes periféricos de las placas de electrodo pueden permanecer
sin ser encapsuladas.
La figura 4 muestra una parte de una batería de
electrolito subalimentado de la presente invención, en la que cada
placa de electrodo en el apilamiento de placas tiene un separador
elástico (226) envuelto alrededor de una parte de su borde
periférico. Aunque los separadores elásticos (226) se envuelven
alrededor de partes del borde inferior de las placas de electrodo
(22) y (24), tal como se muestra, los separadores elásticos (226)
pueden ser envueltos alrededor de partes del borde de las placas de
electrodo (22) y (24) distintas a las partes del borde inferior.
Tal como las realizaciones de las figuras 1 y 2, las partes de los
separadores (226) externos a los bordes periféricos de las placas
de electrodo se expanden para hacer tope entre sí y encapsular los
bordes periféricos, así como las superficies principales de las
placas de electrodo (22) y (24) en el interior del material
separador. Además, tal como en las realizaciones de las figuras 1 y
2, en caso deseado, las partes de los bordes periféricos de las
placas de electrodo pueden permanecer sin ser encapsuladas.
Preferentemente, los separadores (26), (126) y
(226) utilizados en las baterías de electrolito subalimentado de la
presente invención se fabrican a partir de esterillas fibrosas
elásticas, depositadas por aire, que incluyen, cada una de ellas,
a) una capa elástica y bien una o dos capas superficiales que tienen
una densidad mayor a través del entrelazado de fibra y proporcionan
a los separadores una integridad adicional o b) una capa elástica
que es esencialmente uniforme en densidad y entrelazado de fibra en
la totalidad de su grosor. Los separadores preferentes utilizados
en las baterías de electrolito subalimentado de la presente
invención se fabrican a partir de microfibras de vidrio,
microfibras poliméricas o mezclas de las mismas, que pueden incluir
fibras de celulosa y, más preferentemente, de microfibras de vidrio.
Las microfibras de vidrio y las microfibras poliméricas de los
separadores elásticos (26), (126) y (226) tienen diámetros medios de
fibra de entre 0,5 y 3,0 micras (0,5 y 3,0 \mum); más
preferentemente entre 1,0 y 2,0 micras (1,0 y 2,0 \mum); y más
preferentemente entre 1,2 y 1,7 micras (1,2 y 1,7 \mum). Los
separadores preferentes (26), (126) y (226) varían en peso desde
aproximadamente 50 a aproximadamente 450 gramos por metro cuadrado;
y más preferentemente desde aproximadamente 75 a 150 gramos por
metro cuadrado. Preferentemente, los separadores elásticos (26),
(126) y (226) no contienen aglomerante, con las fibras manteniéndose
unidas entre sí por medio de entrelazado de fibra. Además, los
separadores elásticos (26), (126) y (226) se encuentran
preferentemente libres de aberturas que pasan directamente a través
de los separadores elásticos a través de los que se pueden formar
crecimientos o dendritas de material activo entre las placas de
electrodo.
Los separadores elásticos (26), (126) y (226),
cuando se someten a una carga normal en sus superficies principales
de 1,5 libras por pulgada cuadrada (a continuación "1,5 psi")
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), tienen preferentemente grosores
aproximadamente iguales pero mayores que la distancia seleccionada
entre las placas de electrodo (22) y (24) de la celda o celdas de
batería tal como está montada (mayores que el 100% de la distancia
seleccionada entre las placas de electrodo (22) y (24) tal como
está montada). Tal como se ha tratado anteriormente, los grosores
expandidos o sin comprimir de cada separador elástico (26), (126) y
(226) es tal que cada separador se extiende la anchura de la
separación entre las placas de electrodo adyacentes (22) y (24) de
la celda o celdas de batería, tal como está montada, más por lo
menos la mitad del grosor del borde de cada una de las placas de
electrodo adyacente (22) y (24) de la celda o celdas de batería, de
manera que las partes expandidas del separador, más allá de las
periferias de las placas de electrodo, se extienden sobre los bordes
periféricos de las placas de electrodo y encapsulan los mismos.
En los separadores multicapa utilizados en las
baterías de la presente invención, que incluyen una capa elástica y
una o dos capas superficiales, las capas de los separadores son
preferentemente integrales. Las fibras de la capa o capas
superficiales de estos separadores son más entrelazadas que las
fibras en la capa elástica y la capa o capas superficiales son más
compactas y tienen una mayor densidad que la capa elástica. Cuanto
más compactas y densas son las capas superficiales, aumenta la
resistencia a la tracción de los separadores (26), (126) y (226) y
también aumenta la resistencia al desgarro de una o ambas
superficies de los separadores, a la vez que cuanto menos
entrelazadas sean las fibras de la capa elástica menos compacta,
menos densa, proporciona a los separadores (26), (126) y (226) la
elasticidad y la capacidad de retención de electrolito necesarias.
Cuando los separadores elásticos (26), (126) y (226) están dotados
de las dos capas superficiales, la capa elástica se encuentra
intermedia entre las capas superficiales. El grado de entrelazado de
fibra y la densidad de las dos capas superficiales puede ser igual
o una capa superficial puede tener un mayor entrelazado de fibra y
ser más compacta y densa que la otra capa superficial.
Un método preferente para formar la esterilla
fibrosa elástica utilizada para formar los separadores multicapa de
las baterías de la presente invención, incluye la formación de una
lámina fibrosa de fibras entrelazadas, orientadas de manera
aleatoria, en una estación o estaciones de formación de lámina
mediante un proceso de formación de lámina por depósito por aire;
el perforado por aguja de la lámina depositada por aire, en caso
necesario, en una estación de perforación por aguja para dar a la
lámina depositada por aire una mayor integridad; el paso de la
lámina depositada por aire a través de una o dos estaciones de
hidroentrelazado para entrelazar adicionalmente las fibras en una o
ambas superficies principales de la lámina y adyacentes a las mismas
y formar la esterilla fibrosa elástica; el secado de la esterilla
fibrosa elástica resultante mediante el paso de la esterilla
fibrosa elástica a través de un extractor de vacío y un secador u
horno convencional; y la acumulación de la esterilla fibrosa
elástica para almacenamiento, envío o proceso adicional en una
estación de bobinado o similar.
Para los separadores utilizados en las baterías
de la presente invención, es preferente utilizar un proceso de
depósito por aire para formar la lámina fibrosa en vez de un proceso
de depósito en húmedo por diversas razones. En procesos de depósito
por aire para formar la lámina fibrosa, a diferencia de procesos de
depósito en húmedo, no existe proceso de hidropulpado de las
fibras. El proceso de hidropulpado de las fibras en procesos de
depósito en húmedo rompe las fibras en longitudes más cortas,
reduciendo de esta manera el grado del entrelazado de las fibras en
la esterilla, la elasticidad de la esterilla y la resistencia a la
tracción de la misma. En los procesos por depósito por aire, las
fibras pueden ser fabricadas mediante un fiberizador y acumuladas
con las fibras orientadas aleatoriamente y entrelazadas para formar
la lámina fibrosa sin ningún proceso de hidropulpado de las
fibras.
Tal como se ha indicado anteriormente, los
separadores fibrosos elásticos (26), (126) y (226) se fabrican
preferentemente a partir de láminas de microfibras de vidrio,
microfibras poliméricas, fibras de celulosa o mezclas de las
mismas. No obstante, las fibras más preferentes, para utilizar en la
formación de la lámina fibrosa de fibras entrelazadas orientadas
aleatoriamente, son las microfibras de vidrio estiradas a la llama.
Estas fibras están formadas trazando filamentos de vidrio primarios
continuos a partir de un alimentador convencional o crisol de
vidrio fundido e introduciendo estos filamentos de vidrio primarios
continuos en el chorro gaseoso de elevada energía de un quemador de
estirado a la llama, por ejemplo, un quemador Selas, en el que los
filamentos continuos son recalentados, estirados y formados en
fibras cortadas de diámetro fino del diámetro promedio deseado.
Aunque las fibras de vidrio estiradas a la llama son preferentes,
otras fibras que pueden ser utilizadas con las fibras de vidrio
estiradas a la llama, o en lugar de las mismas, para formar la
lámina fibrosa incluyen fibras de vidrio fabricadas en procesos de
desfibrilación rotativos, y fibras de poliéster, polipropileno y
otras fibras poliméricas que incluyen fibras poliméricas de soplado
en fusión y mezclas de dichas fibras. También se contempla que
fibras de celulosa también pueden ser incluidas en las fibras de la
lámina fibrosa como parte de una mezcla de fibras.
Cuando los separadores (26), (126) y (226) están
fabricados a partir de esterillas fibrosas elásticas que tienen una
capa elástica que es esencialmente uniforme en densidad y
entrelazado de fibra a lo largo de su grosor, la esterilla de
microfibra elástica está fabricada preferentemente formando en
primer lugar una lámina depositada por aire de microfibras
orientadas aleatoriamente, de la misma manera descrita anteriormente
en la fabricación de los separadores multicapa. La lámina fibrosa
se pasa a continuación a través de un baño líquido, por ejemplo, un
baño de solución ácida o acuosa, en el que se satura o irriga con
líquido. La lámina saturada es pasada a continuación a través de un
extractor de vacío sobre un transportador de tamiz de tela
metálica. El extractor de vacío provoca un vacío a través de la
lámina fibrosa para extraer líquido de la lámina fibrosa y fijar su
grosor. La lámina fibrosa se seca a continuación en un horno u otros
medios de secado convencionales para completar la formación de la
esterilla fibrosa elástica.
Al igual que las esterillas multicapa con la
capa o capas superficiales hidroentrelazadas, no existe el
hidropulpado de las fibras en el proceso de formación de la
esterilla de capa única. Cuando se utiliza una solución ácida para
hidroentrelazar las fibras en las esterillas multicapa o irrigar la
lámina de fibras, la solución ácida hidroliza las superficies de
las fibras para enlazar las fibras entre sí en sus puntos de
intersección.
Ambos separadores fibrosos elásticos de capas
múltiples y de capa única (26), (126) y (226) de las baterías de
electrolito subalimentado de la presente invención funcionan
preferentemente como: a) separadores elásticos entre las placas de
electrodo positiva y negativa de las celdas para mantener la
separación entre las placas de electrodo positiva y negativa y
evitar la formación de cortocircuitos en el interior de las celdas;
b) como depósitos para retener el electrolito en el interior de las
celdas entre las placas de electrodo positiva y negativa y en
contacto con las placas de electrodo; c) como depósitos ampliados
para incrementar la capacidad de retención de electrolito de los
separadores elásticos; y como medios para encapsular las placas de
electrodo, incluyendo los bordes periféricos de las placas de
electrodo, en su totalidad o en parte, para evitar la formación de
salientes en el electrodo. De esta manera, las baterías de
electrolito subalimentado de la presente invención con sus placas
de electrodo encapsuladas de manera única da a conocer una solución
a los problemas tratados anteriormente, con respecto a las baterías
de electrolito subalimentado de la técnica anterior.
Al describir la invención se han utilizado
ciertas realizaciones para ilustrar la invención y las prácticas de
la misma. No obstante, la invención no está limitada a estas
realizaciones específicas dado que otras realizaciones y
modificaciones se les ocurrirán fácilmente a los expertos en la
técnica leyendo esta especificación. De esta manera, la invención
no pretende estar limitada a las realizaciones específicas dadas a
conocer, sino estar limitada únicamente por las reivindicaciones
adjuntas a las mismas.
Claims (21)
1. Batería de electrolito subalimentado, que
comprende un contenedor que aloja un apilamiento de placas que
incluye una placa de electrodo positiva y una placa de electrodo
negativa; estando las superficies principales de las placas de
electrodos separadas entre sí una distancia seleccionada en la
batería tal como está montada; teniendo cada una de las placas de
electrodo un borde periférico; un primer separador interpuesto entre
las placas de electrodo; un electrolito subalimentado en las placas
de electrodo y el separador; un conductor de electrodo positivo que
une la placa de electrodo positiva a un terminal positivo de la
batería; y un conductor de electrodo negativo que une la placa de
electrodo negativa a un terminal negativo de la batería;
comprendiendo la batería:
el primer separador que es de material fibroso
elástico; y
el primer separador que tiene una dimensión en
una primera dirección mayor que una correspondiente dimensión en la
primera dirección de las superficies principales de las placas de
electrodo mediante las cuales el primer separador se extiende más
allá de una parte del borde periférico de cada una de las placas de
electrodo en la primera dirección; y siendo la dimensión del primer
separador en la primera dirección suficientemente mayor para
proporcionar una cantidad de material separador fibroso elástico,
externo a las partes de los bordes periféricos de las placas de
electrodo, teniendo un grosor expandido, debido a la elasticidad del
material separador fibroso elástico, por lo menos igual a la
separación seleccionada entre las placas de electrodo más la mitad
del grosor del borde periférico de cada una de las placas de
electrodo mediante las cuales el material separador fibroso
elástico, externo a la parte de los bordes de la placa de electrodo
en la primera dirección, se extiende sobre por lo menos una mitad
del grosor del borde de cada una de las placas de electrodo para
por lo menos encapsular parcialmente los bordes de las placas de
electrodo.
2. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 1, en la que:
la dimensión del primer separador en la primera
dirección es mayor que la correspondiente dimensión en la primera
dirección de las superficies principales de las placas de electrodo
hasta el punto en que el separador se extiende más allá de las
partes opuestas de los bordes periféricos de las placas de electrodo
en la primera dirección; y la dimensión del primer separador en la
primera dirección es suficientemente mayor para proporcionar una
cantidad de material separador fibroso elástico, externo a las
partes opuestas de los bordes periféricos de las placas de
electrodo, teniendo un grosor expandido, debido a la elasticidad del
material separador fibroso elástico, igual a la separación
seleccionada entre las placas de electrodo más una mitad del grosor
del borde periférico de cada una de las placas de electrodo
mediante las cuales el material separador fibroso, externo a las
partes opuestas de los bordes de las placas de electrodo, se
extiende sobre por lo menos una mitad del grosor del borde de cada
una de las placas de electrodo para encapsular por lo menos
parcialmente las partes opuestas de los bordes de las placas de
electrodo.
3. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 2, en la que:
la dimensión del primer separador en una segunda
dirección perpendicular a la primera dirección es mayor que la
correspondiente dimensión en la segunda dirección de las superficies
principales de las placas de electrodo hasta el punto en que el
primer separador se extiende más allá de las segundas partes
opuestas de los bordes periféricos de las placas de electrodo; y la
dimensión del primer separador en la segunda dirección es
suficientemente mayor para proporcionar una cantidad de material
separador fibroso elástico, externo a las segundas partes opuestas
de los bordes periféricos de las placas de electrodo, teniendo un
grosor expandido, debido a la elasticidad del material separador
fibroso elástico, igual a la separación seleccionada entre las
placas de electrodo más una mitad del grosor del borde periférico
de cada una de las placas de electrodo mediante las cuales el
material separador fibroso elástico, externo a las segundas partes
opuestas de los bordes de la placa de electrodo, se extiende sobre
por lo menos una mitad del grosor del borde de cada una de las
placas de electrodo para encapsular por lo menos parcialmente las
segundas partes opuestas de los bordes de la placa de electrodo.
4. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 3, en la que:
el material fibroso elástico es una esterilla
fibrosa elástica de microfibras que tiene superficies principales
primera y segunda; teniendo la esterilla fibrosa elástica una
primera capa fibrosa, teniendo la primera capa fibrosa una
densidad, una resistencia a la tracción y una elasticidad; teniendo
la esterilla fibrosa elástica una segunda capa fibrosa; teniendo la
segunda capa fibrosa una densidad, una resistencia a la tracción y
una elasticidad; siendo la primera superficie principal de la
esterilla fibrosa elástica una superficie exterior de la primera
capa fibrosa; siendo la densidad y la resistencia a la tracción de
la primera capa fibrosa mayor que la densidad y la resistencia a la
tracción de la segunda capa fibrosa; siendo la elasticidad de la
segunda capa fibrosa mayor que la elasticidad de la primera capa
fibrosa; y siendo las primera y segunda capas fibrosas
integrales.
5. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 4, en la que las microfibras de la primera capa
fibrosa de la esterilla fibrosa elástica están más entrelazadas que
las microfibras de la segunda capa fibrosa.
6. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 5, en la que las microfibras de la primera capa
fibrosa están hidroentrelazadas.
7. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 3, en la que el separador tiene un grosor, cuando
está sometido a una carga de 1,5 psi
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), aproximadamente igual a la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), aproximadamente igual a la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
8. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 3, en la que el separador tiene un grosor, cuando
está sometido a una carga de 1,5 psi
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), mayor que la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), mayor que la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
9. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 3, en la que:
el material fibroso elástico es una esterilla
fibrosa elástica de microfibras de vidrio depositadas por aire, que
tienen un diámetro promedio entre 0,5 y 3,0 micras (0,5 y 3,0
\mum); pesando la esterilla fibrosa elástica entre
aproximadamente 50 y 450 gramos por metro cuadrado y teniendo
primera y segunda superficies principales; teniendo la esterilla
fibrosa elástica una primera capa fibrosa, teniendo la primera capa
fibrosa una densidad, una resistencia a la tracción y una
elasticidad; teniendo la esterilla fibrosa elástica una segunda capa
fibrosa; teniendo la segunda capa fibrosa una densidad, una
resistencia a la tracción y una elasticidad; siendo la primera
superficie principal de la esterilla fibrosa elástica una superficie
exterior de la primera capa fibrosa; siendo la densidad y la
resistencia a la tracción de la primera capa fibrosa mayor que la
densidad y la resistencia a la tracción de la segunda capa fibrosa;
siendo la elasticidad de la segunda capa fibrosa mayor que la
elasticidad de la primera capa fibrosa; y siendo las primera y
segunda capas fibrosas integrales; y
la esterilla fibrosa elástica comprende una
tercera capa fibrosa; siendo la segunda superficie principal de la
esterilla fibrosa una superficie exterior de la tercera capa
fibrosa; teniendo la tercera capa fibrosa una densidad y una
resistencia a la tracción mayores que la densidad y la resistencia a
la tracción de la segunda capa fibrosa; siendo la elasticidad de la
segunda capa fibrosa mayor que la elasticidad de la tercera capa
fibrosa; siendo la segunda capa fibrosa intermedia entre las primera
y tercera capas fibrosas; y siendo la tercera capa fibrosa integral
con las primera y segunda capas fibrosas.
10. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 9, en la que las microfibras en las primera y
tercera capas fibrosas de la esterilla fibrosa elástica se
encuentran más entrelazadas que las microfibras de la segunda capa
fibrosa.
11. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 10, en la que las microfibras en las primera y
segunda capas fibrosas están hidroentrelazadas.
12. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 9, en la que el separador tiene un grosor, cuando
está sometido a una carga de 1,5 psi
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), aproximadamente igual a la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), aproximadamente igual a la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
13. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 9, en la que el separador tiene un grosor, cuando
está sometido a una carga de 1,5 psi
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), mayor que la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), mayor que la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
14. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 3, en la que el separador tiene un grosor, cuando
está sometido a una carga de 1,5 psi
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), aproximadamente igual a la separación seleccionada entre las placas de electrodo; y el separador tiene una densidad sustancialmente uniforme a través de un grosor del separador.
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), aproximadamente igual a la separación seleccionada entre las placas de electrodo; y el separador tiene una densidad sustancialmente uniforme a través de un grosor del separador.
15. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 3, en la que el separador tiene un grosor, cuando
está sometido a una carga de 1,5 psi
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), mayor que la separación seleccionada entre las placas de electrodo; y el separador tiene una densidad sustancialmente uniforme a través de un grosor del separador.
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), mayor que la separación seleccionada entre las placas de electrodo; y el separador tiene una densidad sustancialmente uniforme a través de un grosor del separador.
16. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 2, en la que el separador está envuelto alrededor
de una parte del borde periférico de una de las placas de electrodo
distinta a las partes opuestas del borde de la placa
periférica.
17. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 1, que comprende un segundo separador,
sustancialmente idéntico al primer separador, en contacto con una
segunda superficie principal de una de las placas de electrodo, de
manera que la placa de electrodo se encuentra intermedia entre los
separadores primero y segundo; haciendo tope material separador del
segundo separador con el material separador del primer separador
externamente a la placa de electrodo intermedia para encapsular por
lo menos parcialmente el borde periférico de la placa de electrodo
intermedia.
18. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 2, que comprende un segundo separador,
sustancialmente idéntico al primer separador, en contacto con una
segunda superficie principal de una de las placas de electrodo
mediante la cual la placa de electrodo se encuentra intermedia entre
los primer y segundo separadores; haciendo tope el material
separador del segundo separador contra el material separador del
primer separador externamente a la placa de electrodo intermedia
para encapsular por lo menos parcialmente el borde periférico de la
placa de electrodo intermedia.
19. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 3, que comprende un segundo separador,
sustancialmente idéntico al primer separador, en contacto con una
segunda superficie principal de una de las placas de electrodo
mediante la cual la placa de electrodo se encuentra intermedia entre
los primer y segundo separadores; haciendo tope el material
separador del segundo separador contra el material separador del
primer separador externamente a la placa de electrodo intermedia
para encapsular el borde periférico de la placa de electrodo
intermedia.
20. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 1, en la que el separador tiene un grosor, cuando
está sometido a una carga de 1,5 psi
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), aproximadamente igual a la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), aproximadamente igual a la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
21. Batería de electrolito subalimentado, según
la reivindicación 1, en la que el separador tiene un grosor, cuando
está sometido a una carga de 1,5 psi
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), mayor que la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
(1,0 x 10^{4} N/m^{2}), mayor que la distancia seleccionada entre las placas de electrodo.
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