ES2288780T3 - Separador hermetico para bateria de plomo acido. - Google Patents
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Abstract
Un separador para una batería de plomo ácido regulada por válvula, (a) que está hecho principalmente de fibras finas de vidrio y (b) también incluye polvo inorgánico y (c) pulpa natural batida, (d) en el cual la cantidad de dicho polvo orgánico es de 5 a 30% en peso, y (e) la cantidad de dicha pulpa natural es de 3 a 20% en peso, y (f) el peso especifico del separador es igual o superior a 0, 165 g/cm3, y (g) en el cual dicho polvo orgánico es polvo de sílice con un área superficial específica e igual o superior a aprox. 200 m2/g.
Description
Separador hermético para batería de plomo
ácido.
La presente invención se refiere a un separador
para una batería de plomo ácido regulada por válvula. Mas
particularmente, se refiere a un separador para una batería de plomo
ácido regulada por válvula que está hecha principalmente de fibras
finas de vidrio y que incluye además polvo inorgánico y pulpa
natural con objeto de mejorar la propiedad de suprimir los
cortocircuitos entre las placas de electrodo positivo y de electrodo
negativo de la batería.
Un separador convencional para una batería de
plomo ácido regulada por válvula tiene forma de lámina y contiene
fibras de vidrio como componente principal. Un separador
convencional es ocasionalmente traspasado o desgarrado por la
presión local ocasionada por un saliente de una placa de electrodo o
por un cristal de plomo que haya crecido en el separador durante la
carga del mismo, lo cual provoca un cortocircuito entre las placas
de electrodo positivo y de electrodo negativo de la batería e
interrumpe la carga o descarga eléctrica de la batería. Esto es
debido a que el separador convencional no tiene suficiente
resistencia mecánica, por lo que es fácilmente traspasado o
desgarrado por el saliente de la placa de electrodo, y a que el
separador convencional tiene un peso específico relativamente bajo
y contiene poros relativamente grandes que permiten fácilmente el
crecimiento de cristales. Con un separador convencional delgado, se
produce más frecuentemente un cortocircuito porque la disminución
del espesor debilita la resistencia mecánica del separador y
aproxima las placas de electrodo positivo y de electrodo
negativo.
El aumento del peso específico y la disminución
del tamaño de los poros y/o el volumen de los poros en un separador
pueden evitar el crecimiento de cristales de plomo y evitar también
un cortocircuito eléctrico. Un modo posible de aumentar el peso
específico y disminuir el tamaño de los poros y/o el volumen de los
poros de un separador consiste en incluir entre las fibras de
vidrio partículas de un polvo inorgánico tal como polvo de sílice.
Sin embargo, cuando el separador incluye el polvo inorgánico, la
cantidad relativa de las fibras de vidrio resulta menor y disminuye
el entrelazado de las fibras de vidrio Como consecuencia, la
resistencia mecánica del separador disminuye, por lo que resulta
más fácil que se produzca un cortocircuito provocado por la presión
de un saliente.
El aumento de la resistencia mecánica de un
separador puede evitar otra causa de traspaso o desgarro del
separador. Las publicaciones de patentes japonesas
S54-22531A, S56-99968A y
S58-663B describen la mezcla de fibras sintéticas
con fibras de vidrio para reforzar el separador. Sin embargo, debido
a que la fibra sintética es menos hidrófila que la fibra de vidrio,
el separador que incluye las fibras sintéticas tiene el
inconveniente de una menor absorbencia de líquidos y retención de
líquidos para la solución de ácido sulfúrico.
La publicación de patente japonesa
S64-52375A describe un separador que incluye
celulosa batida para mejorar su resistencia mecánica sin disminuir
su absorbencia de líquidos o retención de líquidos. Sin embargo, la
celulosa batida aporta sólo una pequeña variación del peso
específico del separador, por lo que no evita los cortocircuitos
provocados por el crecimiento de cristales de plomo. El documento
JP-A-4 022 061 describe el uso de
pulpa de celulosa batida, fibras finas de vidrio y polvo inorgánico.
La Patente Estadounidense 5 009 971 describe una lámina flexible y
porosa de sílice precipitado y un material polimérico no sinterizado
y fibrilado, tal como politetrafluoroetileno. El documento JP 63
224 144 A describe el uso de celulosa fibrilada, y el documento JP
60 221 954 A describe el uso de una fibra de vidrio de silicato
complejo alcalino y un polvo compuesto principalmente de polvo de
sílice.
Es un objetivo de la presente invención resolver
los inconvenientes descritos anteriormente y proporcionar un
separador para una batería de plomo ácido regulada por válvula que
está hecho principalmente de fibras finas de vidrio y que incluye
además polvo inorgánico y pulpa natural con el fin de mejorar la
propiedad de suprimir los cortocircuitos entre las placas de
electrodo positivo y de electrodo negativo de la batería y,
adicionalmente, que tiene un peso específico aumentado para que el
separador sea más delgado y aplicable a placas de electrodo
planas.
Un separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula de la presente invención está hecho
principalmente de fibras finas de vidrio e incluye polvo inorgánico
y pulpa natural batida. El separador comprende entre 5 y 30% en
peso de polvo inorgánico y entre 3 y 20% en peso de pulpa natural.
El peso específico del separador es igual o superior a 0,165
g/cm^{3}.
Un cortocircuito eléctrico entre placas de
electrodo positivo y de electrodo negativo en una batería de plomo
ácido regulada por válvula se produce casi siempre debido a las dos
causas siguientes:
Un saliente en una placa de electrodo
(desigualdad de una rejilla, gránulo de material activo, y
similares) aplica una presión local o una fuerza de cortadura sobre
un separador. Cuando el separador no es suficientemente fuerte, el
saliente traspasa o desgarra el separador y llega hasta la placa
opuesta provocando un cortocircuito.
Al final de la descarga eléctrica de la batería,
los iones de sulfato del electrolito se han consumido y el
electrolito se convierte en agua casi pura, por lo cual el
electrolito ve aumentada su solubilidad del ion de plomo.
Consecuentemente, una parte del sulfato de plomo formado en el
electrodo positivo y en el negativo se disuelve en el electrolito.
Cuando a continuación se carga la batería, los iones de plomo del
electrolito se reducen sobre la placa negativa y el plomo se
deposita sobre la misma y se cristaliza. El cristal de plomo crece
y penetra en el separador hasta que alcanza la placa opuesta y
provoca un cortocircuito.
En la presente invención, con el fin de suprimir
la producción de cortocircuitos debidos a la anterior causa [2], se
mezcla polvo de sílice en el separador para disminuir el tamaño de
los poros del separador y aumentar el peso específico del
separador. Adicionalmente, se mezcla en el separador pulpa natural
batida para mejorar la resistencia a la tracción y la durabilidad a
la penetración, por lo que se suprimen los cortocircuitos debido a
la anterior causa [1]. Debido a que tanto el polvo de sílice como la
pulpa natural son altamente hidrófilos, no se reduce el rendimiento
del separador.
El separador de la presente invención suprime
eficazmente el cortocircuito debido a los dos casos anteriores. El
separador puede fabricarse en un solo proceso, reduciéndose así el
coste de fabricación.
Adicionalmente, debido a que el separador tiene
un peso específico relativamente elevado, puede ser más delgado y
ser aplicado con éxito a placas de electrodo planas situadas a una
corta distancia de entre 0,3 y 0,7 mm.
En la presente invención, unas fibras de vidrio
resistentes al ácido que tengan un diámetro medio de fibra superior
a 1 \mum son adecuadas como fibras finas de vidrio, y un polvo de
sílice que tenga un área superficial específica no inferior a 100
m^{2}/g es adecuado como polvo de silicio. La pulpa natural que
vaya a usarse está preferiblemente batida para que tenga un
refinado Canadiense igual o inferior a 250 mL.
A continuación se describirán con detalle unas
realizaciones preferidas de la presente invención.
El separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula de la presente invención está hecho
principalmente de fibras finas de vidrio, incluye polvo inorgánico
en una cantidad de entre 5 y 30% en peso y pulpa natural batida en
una cantidad de entre 3 y 20% en peso, y tiene un peso específico
igual o superior a 0,165 g/cm^{3}.
Las fibras finas de vidrio son preferiblemente
fibras de vidrio resistentes al ácido, más preferiblemente fibras
de vidrio con contenido en álcali con una buena resistencia a los
ácidos y que tengan un diámetro medio de fibra igual o inferior a 1
\mum. El separador incluye las fibras finas de vidrio en un margen
de 50 a 92% en peso. Las fibras finas de vidrio con un diámetro
medio de fibra superior a 1\mum tienen menor retención de
líquidos y menor formabilidad de la lámina. Cuando el separador
incluye las fibras finas de vidrio en una cantidad inferior al 50%
en peso, el separador no tiene una buena retención de líquidos. Más
del 92% en peso de fibras finas de vidrio resulta en unas
cantidades relativamente pequeñas de polvo de sílice y pulpa
natural, con lo cual el separador no está totalmente protegido
frente a los cortocircuitos.
Cuando la cantidad de polvo de sílice es
inferior al 5% en peso, la producción de cortocircuitos no se evita
con éxito. Más del 30% en peso de polvo de sílice significa unas
cantidades relativamente pequeñas de fibra fina de vidrio y de
pulpa natural, con lo cual el separador no tiene una resistencia
mecánica suficientemente elevada. Por lo tanto, la cantidad de
polvo de sílice está preferiblemente en un margen de 5 a 30% en
peso.
Un polvo de sílice que tenga un área superficial
especifica igual o superior a 100 m^{2}/g es el más adecuado
debido a sus altas propiedades hidrófilas y su bajo costo. Un polvo
de sílice que tenga un área superficial especifica igual o superior
a 100 m^{2}/g tiene suficientes poros dentro y sobre las
superficies del mismo como para dar al separador una retención de
líquidos suficiente. En los separadores según se reivindica en la
Reivindicación 1 se usan polvos que tienen un área superficial
específica igual o superior a unos 200 m^{2}/g.
Cuando el separador incluye menos del 3% en peso
de pulpa natural batida, el separador no tiene una resistencia
mecánica suficientemente elevada, ya que el separador incluye el
polvo de sílice que reduce la resistencia mecánica del separador,
con lo cual el separador no está totalmente protegido de los
cortocircuitos. Mientras que, cuando la cantidad de pulpa natural
batida excede del 20% en peso, el separador resulta demasiado duro
para mantener la adhesión con las placas de electrodo. Por lo tanto,
la pulpa natural batida se incluye en el separador preferiblemente
en una cantidad de 3 a 20% en peso.
Entre la pulpa natural, es adecuado usar pulpa
de madera blanda batida por una batidora o similar. La pulpa de
madera blanda tiene la fibra larga y homogénea, por lo que es muy
efectiva para reforzar el separador. La pulpa de madera blanda se
bate preferiblemente hasta un grado igual o inferior a 250 mL de
refinado Canadiense (refinado según el estándar Canadiense), más
preferiblemente igual o inferior a 150 mL, a una concentración de
0,3% en peso. (Por referencia, el refinado de la pulpa natural sin
batir es igual o superior a 600 mL. La pulpa natural batida hasta
un grado tal de refino tiene un área superficial específica y un
volumen de poros muy grandes, varias veces superiores a los que
tiene la pulpa ordinaria. Y son buenas la reactividad, las
propiedades hidrófilas, la retención de líquidos y la resistencia a
los ácidos, y además funciona muy eficazmente como refuerzo.
Consecuentemente, incluso una pequeña cantidad de esta pulpa natural
batida es suficiente para mejorar suficientemente la resistencia y
la dureza de un separador, y esa pequeña cantidad de pulpa no puede
perjudicar la retención de líquidos ni la absorbencia de líquidos
del separador.
En la presente invención, una parte de pulpa
natural puede substituirse por celulosa fibrilada, que es pulpa
natural finamente dividida a tamaño microfibrilar y efectiva para
mejorar la resistencia mecánica del separador. Cuando la cantidad
de celulosa fibrilada que substituye a la pulpa natural es superior
al 5% en peso, el separador resulta demasiado duro y por ello
pierde su calidad adhesiva con las placas de electrodo. Por lo
tanto, la cantidad de celulosa fibrilada no deberá ser superior al
5% en peso y la cantidad total de celulosa fibrilada y pulpa
natural batida no deberá ser superior al 20% en peso.
El separador de la presente invención se fabrica
mezclando las composiciones anteriores en una relación que haga que
el peso específico del separador sea igual o superior a 0,165
g/cm^{3}, preferiblemente en un margen de
0,165-0,250 g/cm^{3}, y después haciendo una
lámina con la mezcla.
En la presente invención, cuando el peso
específico del separador es inferior a 0,165 g/cm^{3}, el
separador incluye muchos poros. Esto significa que un separador tal
que tenga un peso específico inferior a 0,165 g/cm^{3}, cuando es
delgado para que pueda adaptarse a las placas de electrodo planas,
no puede suprimir suficientemente los cortocircuitos. Mientras que,
cuando el separador tiene el peso específico superior a 0,165
g/cm^{3}, disminuye la retención de líquidos del separador. Por
lo tanto, el separador tiene el peso específico preferiblemente en
un margen de 0,165 a 0,250 g/cm^{3}.
El separador de la presente invención tiene un
alto peso específico que evita eficazmente los cortocircuitos de la
batería, incluso cuando el espesor del mismo es tan pequeño como 0,4
a 0,8 mm, cuyo espesor se determina mediante el procedimiento de
medida que se describe posteriormente con respecto a los
ejemplos.
El separador de la presente invención es muy
útil para placas de electrodo planas.
A continuación se describirá con detalle la
presente invención con referencia a unos ejemplos y unos ejemplos
comparativos. Debe entenderse que la presente invención no se limita
a los siguientes ejemplos.
A continuación se indican los materiales
utilizados en los ejemplos y ejemplos comparativos.
Fibra de vidrio: fibra de vidrio conteniendo
álcali con un diámetro medio de fibra de 0,8 \mum.
Polvo: polvo de sílice con un área superficial
especifica de unos 200 m^{2}/g.
Pulpa natural batida: pulpa de madera blanda
batida hasta un grado aproximado de 150 mL de refinado
Canadiense.
Fibra orgánica termoplástica: fibra de poliéster
con un diámetro medio de fibra de unos 20 \mum y una longitud de
fibra de unos 5 m.
Ejemplos 1 y 2, y Ejemplos
Comparativos
1-4
Se prepararon muestras de separadores para
baterías de plomo ácido reguladas por válvula con las composiciones
dadas en la Tabla 1.
Se midió el espesor T de cada muestra bajo una
presión de 0,2 kgf/cm^{2} (20 kPa) aplicada a través del espesor
de la misma según SBA4501. Se calculó el peso específico de cada
muestra por la formula W/(TxS), en donde T es un espesor medido
según lo anterior, W es una masa medida por una balanza electrónica,
y S es un área.
Se midió la resistencia a la tracción de cada
muestra según SBA4501.
Se estimó la resistencia a la penetración por el
siguiente procedimiento: presionar una aguja de 1 mm de diámetro y
punta esférica verticalmente contra la muestra fija a una velocidad
de 120 mm/min; y se midió la carga máxima aplicada sobre la aguja
en el momento en que la aguja se clavaba en la muestra. Debido a que
la carga máxima se veía fácilmente afectada por pequeñas
diferencias en la forma de la punta de las agujas, la carga máxima
medida fue comparada relativamente con la carga máxima de la carga
estándar (Ejemplo Comparativo 1), que se estableció como 100.
Se midió la absorbencia de líquidos de cada
muestra de la manera siguiente: sumergir el fondo de una muestra
verticalmente en una solución diluida de ácido sulfúrico de densidad
1,30; medir un aumento de impregnación de la muestra por la
solución un minuto después de haber sido sumergida.
Se colocó un separador de 0,5 mm de espesor
entre dos placas de electrodo planas de 7 mm^{2} de área, y se
sumergieron en una solución saturada de sulfato de plomo. Luego se
aplicó una tensión constante de 10 V sobre la muestra bajo una
presión de de 0,3 kgf/cm^{2} (3 Pa). Cuando el plomo metálico que
creció en la placa negativa alcanzó la placa positiva, la
resistencia eléctrica entre las placas de electrodo disminuyó
apreciablemente. Se midió el tiempo transcurrido desde la aplicación
de la tensión hasta la disminución apreciable de la resistencia. Se
dividió el tiempo medido por el espesor del separador para obtener
un tiempo medido de cortocircuito electroquímico. Se comparó el
tiempo medido de cortocircuito electroquímico de cada muestra con
el resultado de la muestra estándar (Ejemplo Comparativo 1), que se
había establecido en 100.
Entre las anteriores características, la
resistencia frente a la penetración es un barómetro de la producción
de cortocircuitos mecánicos. Cuanto más fuerte sea un separador
frente a la penetración, más duradero será frente a los
cortocircuitos mecánicos. El separador es mejor en la prevención de
cortocircuitos electromecánicos si tiene un mayor tiempo de
cortocircuito electroquímico.
Según se muestra en la Tabla 1, la muestra del
Ejemplo Comparativo 1 compuesta únicamente de fibras de vidrio no
es resistente a la penetración y tiene un tiempo de cortocircuito
electroquímico corto. La muestra del Ejemplo Comparativo 2
compuesta de fibras de vidrio y fibras orgánicas es relativamente
resistente a la penetración, pero tiene un tiempo de cortocircuito
electroquímico relativamente corto y mala absorbencia de líquidos.
La muestra del Ejemplo Comparativo 3 compuesta de fibras de vidrio,
polvo de sílice y fibras orgánicas tiene un tiempo de cortocircuito
electroquímico largo, pero es muy débil ante la penetración. La
muestra del Ejemplo Comparativo 4 compuesta de fibras de vidrio y
pulpa batida es muy resistente a la penetración y tiene buena
absorbencia de líquidos, pero tiene un tiempo de cortocircuito
electroquímico relativamente corto.
Por otro lado, cada muestra de los Ejemplos 1 y
2 compuesta de fibras de vidrio, polvo de sílice y pulpa batida en
la relación de aparece en la Tabla 1 es muy resistente a la
penetración y tiene un tiempo de cortocircuito electroquímico largo
sin que la absorbencia de líquidos disminuya. Por consiguiente,
estos separadores son muy buenos para evitar cortocircuitos.
Según se ha detallado anteriormente, según la
presente invención, se dota al separador con las siguientes
ventajas (1) a (4), por lo que el separador suprime suficientemente
la producción de cortocircuitos entre placas de electrodo positivo
y de electrodo negativo y tiene excelentes cualidades como
separador, tales como absorbencia de líquidos y bajo coste de
fabricación. El separador de la presente invención es
extraordinariamente útil cuando se fabrica delgado para utilizarlo
como separador entre placas de electrodo planas.
(1) El separador tiene un peso específico
elevado debido al polvo de sílice retenido entre las fibras de
vidrio El polvo de sílice en el poro del separador impide el
crecimiento de cristales de plomo metálico. El microfilamento de
pulpa natural batida funciona del mismo modo que el polvo de sílice.
Como consecuencia, se suprime el cortocircuito eléctrico provocado
por la aparición de cristales de plomo metálico.
(2) La pulpa natural batida introduce una mejora
en la resistencia mecánica de un separador, especialmente en la
resistencia a la penetración. Por consiguiente, el separador no
puede ser traspasado ni desgarrado fácilmente por la presión local
provocada por los salientes de las placas de electrodo.
(3) Debido a que el separador consiste
únicamente en materiales hidrófilos, tiene unas propiedades
hidrófilas y una retención de líquido excelentes, por lo que la
batería tiene unas prestaciones excelentes.
(4) El separador puede ser producido fácilmente
mediante un proceso de mezcla y fabricación de lámina para permitir
un bajo costo de producción.
Claims (9)
1. Un separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula,
- (a)
- que está hecho principalmente de fibras finas de vidrio y
- (b)
- también incluye polvo inorgánico y
- (c)
- pulpa natural batida,
- (d)
- en el cual la cantidad de dicho polvo orgánico es de 5 a 30% en peso, y
- (e)
- la cantidad de dicha pulpa natural es de 3 a 20% en peso, y
- (f)
- el peso especifico del separador es igual o superior a 0,165 g/cm^{3}, y
- (g)
- en el cual dicho polvo orgánico es polvo de sílice con un área superficial específica e igual o superior a aprox. 200 m^{2}/g.
2. Un separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula según se reivindica en la reivindicación 1, en
el cual dichas fibras finas de vidrio son fibras de vidrio
resistentes a los ácidos que tienen un diámetro medio de fibra
igual o inferior a 1 \mum.
3. Un separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula según se reivindica en una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, en el cual dicha pulpa natural es batida
hasta un grado de refinado Canadiense igual o inferior a 250
mL.
4. Un separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula según se reivindica en una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el cual la cantidad de dichas fibras
finas de vidrio es de 50 a 92% en peso.
5. Un separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula según se reivindica en una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el cual dicha pulpa natural es pulpa de
madera blanda batida por un dispositivo batidor que incluye un
batidor.
6. Un separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula según se reivindica en una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el cual una parte de dicha pulpa natural
es celulosa fibrilada.
7. Un separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula según se reivindica en la reivindicación 6, en
el cual la cantidad de celulosa fibrilada es igual o inferior al 5%
en peso, y la cantidad total de celulosa fibrilada y pulpa natural
batida es igual o inferior al 20% en peso.
8. Un separador para una batería de plomo ácido
regulada por válvula según se reivindica en una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el cual el peso especifico del separador
es de 0,165 a 0,250 g/cm^{3}.
9. Un separador para una batería de plomo
ácido regulada por válvula según se reivindica en una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 8, en el cual el espesor del separador es
de 0,5 a 0,8 mm.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11-68629 | 1999-03-15 | ||
| JP11068629A JP2000268796A (ja) | 1999-03-15 | 1999-03-15 | 密閉型鉛蓄電池用セパレータ |
Publications (1)
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