ES2618346T3 - "Batería de plomo-ácido de alta eficiencia para el ciclo de parada e inicio" - Google Patents

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ES2618346T3 ES13003720.3T ES13003720T ES2618346T3 ES 2618346 T3 ES2618346 T3 ES 2618346T3 ES 13003720 T ES13003720 T ES 13003720T ES 2618346 T3 ES2618346 T3 ES 2618346T3
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Abstract

1) Una batería de plomo-ácido de alta eficiencia con electrolito líquido para el ciclo de parada e inicio (10), especialmente, adecuada para equipar vehículos de clase híbrida-eléctrica, que comprende un cuerpo de contenedor (12) de material plástico subdividido internamente en una pluralidad de células (14) en las cuales una o más placas o electrodos negativos (28) y una o más placas o electrodos positivos (22) están situados inmersos en un electrolito y delimitados por separadores porosos, en la que los elementos de conexión (40) están situados entre los electrodos (22-28) y las células (14), que comprende además una cubierta (16) que se cierra a fin de sellar herméticamente el cuerpo del contenedor (12), equipado con tapones (20) que cierran los accesos a las células (14) y que incorporan los terminales (18) de cono truncado, estando formados dichos separadores por dos capas superpuestas (24), (26), la primera de las cuales más extema en relación con el electrodo positivo (22) y fabricada de polietileno, mientras que la segunda capa más interna (26) está fabricada de poliéster no tejido teniendo un grosor de 0,1 a 1,0 mm a una presión aplicada de 5 kPa., caracterizada porque la capa de contención de cada placa o electrodo negativo (28) está compuesta de un no tejido estratificado a base de poliéster, presente en una cantidad de no menos del 60 %.

Description

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"Bateria de plomo-bcido de alta eficiencia para el ciclo de parada e inicio"
La presente invencibn se refiere a una bateria de plomo-bcido de alta eficiencia con electrolito liquido para el ciclo de parada e inicio. Mbs especificamente, la presente invencibn se refiere a una bateria como se ha definido anteriormente, especialmente adecuada para el equipamiento de los llamados vehlculos hibridos. Es ampliamente conocido que el sector del autombvil estb experimentando un periodo de cambio significativo relativo a los requisitos cada vez mbs estrictos de la legislacibn europea destinada a proteger el medio ambiente, reduciendo el consumo de combustible asi como las emisiones de dibxido de carbono; los niveles de emision de los vehlculos se limitaran a 120 gramos/km en 2015 y 95 g/km en 2020.
Estos requisitos han llevado a los fabricantes a aumentar sus actividades de l+D y, de ese modo, a identificar configuraciones de vehlculos capaces de cumplir con los llmites impuestos. Hasta ahora, el resultado de esta investigacibn ha sido el desarrollo de una nueva clase de los llamados vehlculos hibridos; la llamada clase hlbrida esta dividida a su vez en categorlas diferentes tales como "micro", "leve", "media", "completa" y "enchufable" y comprende tambibn una clase completamente elbctrica, en la cual la traccibn del el vehlculo se garantiza por un sistema de baterias especlflco. La clase hlbrida de vehlculos, en sus diversas subcategorias, se caracteriza por sistemas y tecnologias adecuados para reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2 entre los cuales figura el sistema S&S (sistema de parada e inicio), que preve parar el motor cuando el vehlculo esta parado, por ejemplo, en un atasco o en el sembforo, recuperando la energla de frenado, haciendo que la bateria intervenga en fase de aceleracibn para apoyar el motor y para alimentar el aire acondicionado o la calefaccibn del sistema cuando el motor se apaga en condiciones de parada. Estos requisitos hacen que el funcionamiento de la bateria sea fundamental y en este sector, tambien, la investigacibn tiene como objetivo la obtencibn de una configuracibn de bateria adecuada para soportar las tensiones especificas de una arquitectura hlbrida elbctrica; en particular, dicha solucibn requiere una alta eficiencia de recarga en la recuperacibn de la energla de frenado y en el numero muy elevado de ciclos de carga/descarga caracterizados por tasas elevadas, en la fase de parada, es decir, cuando el vehlculo esta parado en el sembforo 0 en un atasco, seguldo del mismo numero de fases de "inicio", concretamente, del reinicio del motor, todo en los estados de carga parcial de la bateria. Las baterias de plomo-bcido en su configuracibn tradicional son incapaces de soportar estas funciones nuevas; la capacidad de funcionar de forma eficiente en estados parcialmente cargados es de hecho una de las limitaciones principales de la bateria de plomo tradicional a causa de los fenbmenos de sulfatacibn de las placas negativas que reducen drasticamente la capacidad de las baterias de recargar, provocando una pbrdida de operatividad de las mismas. Otro factor limitativo de la bateria de plomo en una configuracibn tradicional es su eficiencia de recarga a tasas elevadas; en estas condiciones, de hecho, las reacciones secundarias de gasificacibn se vuelven predominantes sobre la recarga a causa de los limites de la difusibn ibnica de los elementos electricos que intervienen, lo que produce una acumulacibn progresiva de sulfato de plomo no conductor en la superficie de la placa negativa, un alto consumo de agua y la consiguiente incapacidad progresiva de la bateria que vaya a recargarse por si misma de manera eficiente. Para reducir dicha pbrdida de la eficiencia de las baterias, debido en particular a la acumulacibn de sulfato en el electrodo negativo, es necesario, por lo tanto, limitar las reacciones secundarias del desarrollo de gases y mejorar las reacciones de recarga.
El documento US2007259260 divulga una bateria de plomo-bcido recargable con separadores de polietileno poroso y con una capa de fibra en cada superficie del separador. Las capas microporosas del separadory de la fibra tienen un grosor de al menos 100 pm; la longitud media de la fibra que forma las capas de fibras es de mbs de 1 mm y el diametro es de mbs de 1 pm. Las capas de fibras estbn firmemente unidas a las capas de los separadores a lo largo de los bordes. En al menos una de las superficies opuestas, cada separador tiene una pluralidad de nervaduras.
El documento EP2466678 divulga una bateria de litio secundaria con una solucion electrolltica no acuosa y un disolvente estable altamente viscoso, en el cual estb colocado el separador entre el bnodo y el cbtodo y comprende un sustrato poroso no tejido fabricado de un pollmero seleccionado, por ejemplo, a partir del grupo que comprende polibster, poliamida, policarbonato. Dicho sustrato poroso tiene un grosor de 1 a 100 pm.
El proposito de la presente invencion es superar los inconvenientes mencionados anteriormente de las baterias de plomo-bcido conocidas. Mbs especificamente, el proposito de la presente invencion es proporcionar una bateria de plomo-bcido o un acumulador adecuado para garantizar una alta eficiencia global en su uso en vehlculos de clase hlbridayelbctrica.
Otro propbsito de la invencibn es proporcionar una bateria de plomo-bcido adecuada para garantizar la recarga altamente eficiente en la recuperacibn de la energla de frenado y en los ciclos de inicio y parada.
Otro propbsito de la invencibn es proporcionar una bateria de plomo-bcido adecuada para funcionar de forma eficiente incluso en estados parcialmente recargados y para soportar tasas fuertes.
Otro propbsito de la invencibn es poner a disposicibn de los usuarios una bateria de plomo-bcido para vehlculos de clase hlbridayelbctrica adecuada para garantizar un alto nivel de resistencia y de fiabilidad en el tiempo y adembs de manera que se produzca de forma econbmica.
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Estos y otros objetivos se logran mediante la bateria de plomo-acido de alta eficiencia con electrolito llquido para el ciclo de parada e inicio de la presente invention, especialmente adaptada para equipar vehiculos de clase hibrida/elOctrica, de acuerdo con la revindication principal.
Las caracteristicas de construction y funcionales de la bateria de plomo-acido de alta eficiencia para el ciclo de parada e inicio de la presente invention serOn comprensibles mOs claramente a partir de la description detallada siguiente en la cual se hace referenda a los dibujos adjuntos que muestran un modo de realization preferido y no limitativo y en la que:
la figura 1 muestra de forma esquematica una section transversal longitudinal de la bateria de plomo-acido de alta eficiencia de la presente invention;
la figura 2 muestra de forma esquematica, en secciOn transversal longitudinal, un electrodo positivo de dicha bateria;
la figura 3 muestra de forma esquematica una seccion transversal longitudinal de un electrodo negativo de dicha bateria;
la figura 4 muestra de forma esquematica una vista frontal de dicho electrodo negativo. Con referencia a las figures mencionadas anteriormente, la bateria de plomo-Ocido de alta eficiencia 25 para el ciclo de parada e inicio de la presente invention, globalmente indicada con el numero de referencia 10 en la figura 1, comprende un cuerpo de contenedor o monobloque 12 fabricado de plastico, dividido intemamente en una pluralidad de celulas dos de las cuales se indican con el numero de referencia 14 en la figura 1. Una o mOs placas o electrodos negativos y una o mOs placas o 5 electrodos positivos estOn dispuestos en dichas cOlulas, inmersas en un electrolito y delimitadas por separadores porosos; los electrodos estan conectados electricamente, entre las diversas cOlulas que constituyen el monobloque 12 por medio de los elementos de conexiOn electrodo/electrodo y celula/cOlula. Dicha bateria comprende ademOs una cubierta 16 que se cierra sobre el cuerpo de contenedor 12 a fin de sellarlo hermOticamente y que estO equipada con tapones 20 que cierren los accesos a las celulas 14 e incorporan los terminales 18 de cono truncado. De acuerdo con la invention, cada electrodo positivo de la bateria 10, indicado con el numero de referencia 22 en la figura 2, estO encerrado dentro de un separador poroso, formado por dos capas superpuestas. En particular, cada uno de los separadores colocados entre los electrodos diferentes, altemativamente positivos y negativos, estO formado por dos capas 24 superpuestas, la primere de las cuales mOs externa en relacibn con el electrodo positivo 22 esta fabricada de polietileno, mientras que la segunda capa mas interna en relation con dicho electrodo positivo esta fabricada de poliester no tejido con un grosor de 0,1 a 1,0 mm a 5 kPa.
El material de dicha segunda capa 26 tiene preferentemente un gramaje de 30 a 60 gm'2 y una resistencia elOctrica de menos de 0,05 ohm cm 2. Dicho separador en dos capas 24 y 26, indicado con el numero de referencia 30 en la figura 1, garantiza un nivel elevado de constriction de la masa activa positiva en la red que forma el electrodo 22 y limita los fenOmenos de desprendimiento y las variaciones consistentes de volumen a los que los electrodos se enfrentan en las condiciones de descarga y recarga progresivas que caracterizan el funcionamiento de la bateria en los vehiculos hibridos.
Las caracteristicas flsicas y qufmicas descritas anteriormente del material a base de polfmero que compone el separador son de manera que permiten una compresiOn elevada entre los electrodos positivos y negativos dentro de cada cOlula individual; esto garantiza un contacto eficiente de la capa a base de pollster del separador con el electrodo positivo, lo que se traduce en una constriccion eficiente de la masa activa positiva en la red, limitando los fenOmenos de desprendimiento y las variaciones del volumen mencionados anteriormente.
Cada placa negativa o electrodo negativo, indicado globalmente con el numero de referencia 28 en la figura 3, esta delimitado por una capa de contention 32 que consiste en un no tejido estratificado a base de pollster. En particular, dicha capa de contention 32 esta compuesta de una base de pollster de no menos del 60 % de peso, un pollster de union por calor, si esta presente, del 0 al 30 % de peso, una viscosa si esta presente, 0-30 % de peso y una resina de union , si esta presente, del 0 al 30 % de peso. En general, la formation de la capa de contention 32 no tejida tiene preferentemente un gramaje de 10 a 16 gm 2 y un grosor de 0,06 a 0,12 mm. Dicha capa de contention garantiza una contention eficiente de la masa activa, indicada con el numero de referencia 34 en la figura 3, en la rejilla de soporte de metal colocada en la misma e indicada con el numero de referencia 36 en la misma figura.
La masa activa negativa de la bateria de plomo de alta eficiencia esta disefiada para reducir los fenOmenos de acumulaciOn de sulfato de plomo provocados por el funcionamiento en estados parcialmente cargados y a tasas elevadas de descarga y recarga. De hecho, el sulfato de plomo formado en la descarga ya no puede convertirse en plomo esponjoso durante la recuperation de la energia de frenado a causa de las tasas elevadas lo que hace que las reacciones de gasification secundarias sean predominantes. Para reducir dicho fenOmeno, la masa activa negativa necesitarla mantenerse en un Orea de superficie alta y esto sucede, en la presente invention, introduciendo materiales a base de carbono en forma de negro de carbono, grafito, carbono activado o, altemativamente, una mezcla de los mismos, en una concentration del 0,3 % al 1,0 % y de al menos dos expansores organicos diferentes. Esto determina un grado elevado de optimization de la masa activa negativa en comparaciOn con una bateria de plomo configurada de forma traditional que contiene generalmente 10 carbono, en forma de negro de carbono, en
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concentraciones variables generalmente desde aproximadamente el 0,1 % al 0,4 % y un solo y unico tipo de expansor orgbnico. Los materiales a base de carbono en el interior de la masa activa negativa mantienen de hecho una red conductora a travbs del material de la placa negativa especialmente en estados bajos de carga donde la concentracibn de sulfato de plomo no conductor 15 es elevada y aumentan el brea de superficie de la masa activa negativa.
De acuerdo con otra caracteristica ventajosa de la invencibn, los indicadores o elementos que sobresalen de la parte superior de los electrodos positivos 22 y negatives 28 se someten a un tratamiento adecuado para reducir, respectivamente, los fenbmenos de corrosibn y de sulfatacibn. Como se muestra de forma esquembtica en la figura 4, en la que una vista frontal del electrode negative 28 se ilustra a modo de ejemplo, el indicador 38 que sobresale del mismo se reviste de una aleacibn de plomo y estano al menos en la parte superior del mismo; dicrio revestimiento se extiende preferentemente una altura de al menos tres millmetros partiendo del extremo superior de cada uno de los indicadores 38. La composicibn de dicha aleacibn de revestimiento es tal manera que el porcentaje mlnimo de estaflo es del 40 %. De acuerdo con otra caracteristica ventajosa de la invencibn, los elementos de conexibn elbctrica electrodo/electrodo y celula/cblula, uno de los cuales estb indicado con el numero de referenda 40 en la figura 1, estbn fabricados de aleaciones a base de plomo con un contenido de estano del 0,5 al 5 % y sin antimonio. El uso de aleaciones no antimoniales reduce el fenbmeno de corrosibn y el consumo de agua. En cambio, las aleaciones usadas para hacer las rejillas de soporte para los electrodos negativos a base de plomo contienen de forma ventajosa estano en una cantidad del 0,8 al 1,3 % y calcio en una cantidad del 0,03 al 0,07.
Esto provoca un aumento significativo de la resistencia de las redes a las tensiones especlficas a las que la bateria 10 se somete en el funcionamiento tipico de los vehlculos de clase hlbrida/elbctrica.
Adembs, en la bateria 10 de acuerdo con la presente invencibn, el cuerpo de contenedor 12 esta dimensionado a fin de permitir la presencia de una reserva de electrolito liquido de al menos 35 mm partiendo del extremo superior de los electrodos 22 y 28; dicha altura se muestra de forma esquembtica por la fiecha "A" en la figura 1. La tecnologia mencionada anteriormente caracteristica de vehiculos hlbridos diseilada para reducir el consumo de combustible y las emisiones de dioxido de carbono implica la capacidad de la bateria para funcionar en los estados de carga parcial y aceptar las tasas elevadas de carga. En estas condiciones, se "facilitan" considerablemente, como se ha descrito anteriormente, las reacciones secundarias de electrolisis del agua y el consiguiente desarrollo de gas. Esto provoca una pbrdida progresiva de electrolitos que se traduce en una pbrdida progresiva de la capacidad de la propia bateria de cargarse/descargarse; por esta razbn, otra caracteristica ventajosa de la invencibn es la garantla de una gran reserva de electrolitos, sobre el 40 % mbs que la de una bateria de plomo tradicional, lo que permite que la bateria soporte un numero mayor de ciclos de carga y descarga a tasas elevadas. Se garantiza dicha gran reserva de 5 electrolito por medio de un dimensionado especifico de los electrodos cuya altura (sin la contribucibn derivada del dimensionado del indicador) es de forma ventajosa igual a 105 ± 5 mm o en cualquier caso de manera que garantiza una relacibn de la altura de los electrodos (sin indicador) y la altura de la cblula, ocupada por el volumen de electrolito, de no mbs de 0,75.
Las pruebas experimentales dirigidas por el solicitante confirman que la bateria 10 configurada de acuerdo con las caracteristicas descritas anteriormente es capaz de satisfacer los requisitos de la clase hlbrida-elbctrica de los vehlculos, con referenda particular a la recarga eficiente en la recuperacibn de la energfa de frenado y en los ciclos de "parada e inicio". La bateria, de acuerdo con la configuracion de la presente invencibn, es de hecho capaz de realizar de forma eficiente los ciclos de "parada e inicio" mencionados anteriormente, caracterizados por una profundidad de descarga del 1,5 %, manteniendo su funcionamiento operativo aunque se exceda un rbgimen total de Ah descargado de 750 veces su capacidad nominal. La bateria de acuerdo con la presente invencibn demostro tambien ser eficiente en las pruebas dirigidas en condiciones de recarga parcial, soportando tasas elevadas sin dificultad.
A pesar de que la invencibn se ha descrito anteriormente con referenda particular a uno de sus modos de realizacibn, dado unicamente a modo de ejemplo no limitativo, numerosas modificaciones y variantes resultarbn evidentes para una persona experta en la tbcnica a la luz de la descripcion anterior.
Por lo tanto, la presente invencibn se propone abarcar todas las modificaciones y variantes que caigan dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (1)

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    REIVINDICACIONES
    1) Una bateria de plomo-acido de alta eficiencia con electrolito llquido para ei ciclo da parada e inicio (10), especialmente, adecuada para equipar vehiculos de clase hlbrida-electrica, qua comprende un cuerpo de contenedor (12) de material piastico subdividido intemamente en una pluralidad de c6lulas (14) en las cuales una o mas placas o electrodos negativos (28) y una o mas placas o electrodos positivos (22) estan situados inmersos en un electrolito y delimitados por separadores porosos, en la que los elementos de conexidn (40) estan situados entre los electrodos (22-28) y las c6lulas (14), que comprende adem^is una cubierta (16) que se cierra a fin de sellar herm6ticamente el cuerpo del contenedor (12), equipado con tapones (20) que cierran los accesos a las caiulas (14) y que incorporan los terminales (18) de cono truncado, estando fonmados dichos separadores por dos capas superpuestas (24), (26), la primera de las cuales mas externa en relacidn con el electrodo positivo (22) y fabricada de polietileno, mientras que la segunda capa mas interna (26) esta fabricada de pollster no tejido teniendo un grosor de 0,1 a 1,0 mm a una presidn aplicada de 5 kPa., caracterizada porque la capa de contention de cada placa o electrodo negativo (28) esta compuesta de un no tejido estratificado a base de pollster, presente en una cantidad de no menos del 60 %.
    2) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la reivindicacidn 1, caracterizada porque el material que compone dicha capa (26) del separador de cada electrodo positivo tiene un gramaje de 30 a 60 gm 2y una resistencia el6ctrica de menos de 0,05 ohmios cm'2.
    3) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la reivindicacidn 1, caracterizada porque la capa de contencidn no tejida de los electrodos negativos (28) comprende una proporcidn de pollster de unidn por calor de no mas del 30 % de peso.

    4) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la reivindicacidn 3, caracterizada porque la capa de contencidn no

    tejida de los electrodos negativos (28) comprende una proporcidn de viscosa y de resina de unidn de no mas del 30
    % de peso para cada uno de dichos componentes.

    5) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la reivindicacidn 4, caracterizada porque la capa de contention no
    tejida de los electrodos negativos (28) tiene un gramaje de 10-16 gm'2 y un grosor de 0,06 a 0,12 mm.
    6) La bateria de acuerdo con la revindication 1, caracterizada porque Neva a cabo de forma eficiente los ciclos de "parada e inicio" que tienen una profundidad de descarga del 1,5 %, alcanzando un rOgimen total de Ah descargado no menos de 750 veces su capacidad nominal.
    7) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la revindication 1, caracterizada porque los electrodos positivos (22) y negativos (28) se someten a un tratamiento de revestimiento en su parte de indicador sobresaliente superior, es decir, de plomo (38).
    8) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la revindication 7, caracterizada porque dichos indicadores (38) de los electrodos (22) y/o (28) estan revestidos de una aleaciOn de plomo y estafio que se extiende una altura de al menos 3 mm a partir del extremo superior de dichos indicadores, siendo la cantidad minima de estano el 40 % en dicha aleaciOn de revestimiento.
    9) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la revindication 1, caracterizada porque los elementos de conexiOn (40) estan fabricados de aleaciones a base de plomo con un contenido de estano del 0,5 al 5 %.
    10) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la revindication 1, caracterizada porque las placas negativas (28) estan fabricadas de aleaciOn de plomo que comprende estano en una cantidad del 0,8 al 1,3 % y calcio en una cantidad del 0,03 al 0,07 %.
    11) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la revindication 8, caracterizada porque las placas negativas (28) constan de una masa negativa que contiene al menos dos expansores orgOnicos y materiales a base de carbono, en forma de negro de carbono, carbono activado, grafito o, altemativamente, una mezcla de los mismos, en el intervalo del 0,3 % al 1,0 %.
    12) La bateria de plomo-acido de acuerdo con la revindication 1, caracterizada porque el nivel del electrolito en el cuerpo de contenedor (12) excede el extremo superior de los electrodos (22) y (28) por al menos 35 mm.
ES13003720.3T 2012-07-31 2013-07-25 "Batería de plomo-ácido de alta eficiencia para el ciclo de parada e inicio" Active ES2618346T3 (es)

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