ES2859488T3 - Batería de plomo-ácido inundada con electrodos que comprende un sustrato de pegado - Google Patents

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Abstract

Una batería de plomo-ácido inundada incluye un sustrato de empastado embebido en un material activo de al menos una superficie de las placas positivas o de las placas negativas de cada pluralidad respectiva, en la que el sustrato de empastado tiene un grosor inicial. El grosor del sustrato de empastado tiene un grosor comprimido dentro del recipiente que es al menos 10 a 20 % menor que el grosor inicial.

Description

DESCRIPCIÓN
Batería de plomo-ácido inundada con electrodos que comprende un sustrato de pegado
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente descripción se refiere en general al campo de las baterías, y más específicamente a las baterías de plomo-ácido inundadas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Se reconoce ampliamente la necesidad de mejoras en las baterías de almacenamiento de plomo-ácido. Un ejemplo de un uso en donde se necesita una mejor batería es en vehículos eléctricos híbridos (HEV), como los vehículos microhíbridos (gHEV). Los vehículos microhíbridos son diferentes de los vehículos convencionales, ya que están diseñados para apagar el motor cuando el vehículo se detiene. Luego, el motor se reinicia inmediatamente antes de que el vehículo comience a moverse nuevamente. Como resultado, la batería de plomo-ácido se ve obligada a descargarse durante el período en donde el motor está apagado, para proporcionar soporte a las cargas eléctricas en el vehículo, y descargarse a una velocidad alta para arrancar el vehículo. Esto sucederá muchas veces durante un viaje normal en lugar de solo una vez en un vehículo convencional. Por lo tanto, la batería de plomo-ácido se descargará muchas veces y se requerirá que se cargue rápidamente para reponer la carga agotada durante el evento de parada para permitir que el vehículo complete otro evento de parada y arranque. Este nuevo requisito para la batería de plomo-ácido es difícil de lograr. El documento US2011/318643A1 describe una batería de plomoácido inundada con un sustrato de pegado que tiene una mezcla de fibras de vidrio más pequeñas y mayores de 5 gm. El documento JP H03-1518 describe un condensador electrolítico sólido con un separador de papel de vidrio formado mezclando fibras de vidrio de 5-8 gm con fibras de vidrio de 9-15 gm.
Por consiguiente, existe una necesidad continua de baterías de plomo-ácido mejoradas.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
En el presente documento se describen baterías de plomo-ácido mejoradas.
En una realización, una batería de plomo-ácido inundada comprende un recipiente; una pluralidad de placas positivas dispuestas en el recipiente; una pluralidad de placas negativas dispuestas en el recipiente; un sustrato de pegado incrustado en un material activo de al menos una superficie de las placas positivas o las placas negativas de cada pluralidad respectiva, en donde el sustrato de pegado tiene un espesor inicial, en donde el espesor del sustrato de pegado tiene un espesor comprimido dentro del recipiente que es al menos un 10 a un 20 % menos que el espesor inicial; y un electrolito dispuesto en el recipiente a un nivel suficiente para inundar la pluralidad de placas positivas y negativas.
En una realización, una batería de plomo-ácido inundada comprende un recipiente; una pluralidad de placas positivas dispuestas en el recipiente; una pluralidad de placas negativas dispuestas en el recipiente; un sustrato de pegado incrustado en un material activo de al menos una superficie de las placas positivas o las placas negativas de cada pluralidad respectiva, en donde el sustrato de pegado tiene un peso base de 23 g/m2 hasta 31 g/m2 y el sustrato de pegado comprende más de aproximadamente 50 % en peso de fibras de vidrio basado en el peso total del sustrato de pegado; y un electrolito dispuesto en el recipiente a un nivel suficiente para inundar la pluralidad de placas positivas y negativas.
En una realización, una batería de plomo-ácido inundada comprende un recipiente; una pluralidad de placas positivas dispuestas en el recipiente; una pluralidad de placas negativas dispuestas en el recipiente; un sustrato no tejido que comprende fibra de vidrio incrustada en un material activo de al menos una placa de la pluralidad de placas positivas y la pluralidad de placas negativas, en donde el sustrato no tejido tiene un peso base de 23 g/m2 hasta 31 g/m2 y comprende una mezcla de fibras que tienen un diámetro medio de fibra de 5 gm a 8 gm, teniendo las fibras un diámetro medio de fibra de 11 a 14 gm; y un electrolito dispuesto en el recipiente a un nivel suficiente para inundar la pluralidad de placas positivas y negativas.
Los expertos en la técnica apreciarán y comprenderán las características descritas anteriormente y otras a partir de la siguiente descripción detallada, dibujos y reivindicaciones adjuntas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Ahora se hace referencia a las figuras, que son ejemplos de realizaciones, y en donde los elementos similares están numerados por igual:
La figura 1 es una vista en perspectiva de una batería de plomo-ácido, una parte de la cual está cortada para mostrar los componentes internos de la batería; y
la figura 2 es una vista frontal de una placa de batería, con una parte de la reja subyacente que se muestra como expuesta con fines ilustrativos.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En el presente documento se describen baterías de plomo-ácido inundadas que tienen una serie de mejoras (p. ej., ciclo de vida mejorado) en comparación con las baterías convencionales de plomo-ácido inundadas. Como se discutirá con mayor detalle a continuación, se han identificado una serie de características que de forma independiente y/o en combinación entre sí dan como resultado baterías que se pueden usar en aplicaciones de ciclo alto (p. ej., aplicaciones para vehículos con sistemas de parada-arranque). Si bien las realizaciones descritas en el presente documento pueden ser particularmente beneficiosas para vehículos eléctricos microhíbridos, debe entenderse que otras aplicaciones (p. ej., de energía motriz y fotovoltaicas) están dentro del alcance de la invención reivindicada.
En referencia ahora a las figuras 1-2, se describe un ejemplo de realización de una batería de plomo-ácido inundada mejorada generalmente designada como 10. La batería de plomo-ácido 10 incluye un recipiente 12. La forma del recipiente 12 puede variar dependiendo de los parámetros de diseño, pero se ilustra con una forma generalmente rectangular. El recipiente 12 incluye un recipiente inferior 14 que tiene un suelo inferior 16 y cuatro paredes laterales 18, y una cubierta superior 20 que sella la parte superior del recipiente 12 para evitar la fuga del ácido desde el recipiente 12. La cubierta superior 20 puede incluir uno o más orificios de ventilación (no mostrados) y tapas de ventilación 22 que permiten que los gases generados dentro del alojamiento de batería escapen. Los materiales adecuados para el recipiente 12 incluían materiales electrónicamente no conductores tales como materiales poliméricos.
A diferencia de las baterías inundadas convencionales, en una realización, el recipiente 12 está diseñado para adaptarse a una mayor compresión de la pila (en comparación con las baterías inundadas convencionales). Por ejemplo, el espesor de las paredes 18 puede ser más grueso en comparación con las paredes laterales de las baterías inundadas convencionales. En una realización, la batería inundada mejorada tiene una compresión de pila de al menos 10 % a 20 %, específicamente del 10 % al 15 %. Si bien la compresión de la pila se puede obtener como resultado de la compresión de un sustrato de pegado (discutido con más detalle a continuación), se prevé que otros medios de proporcionar compresión estén dentro del alcance de la invención reivindicada.
Unos bornes conductores positivo y negativo 24 se extienden hacia arriba a través de la cubierta superior 20 para permitir que las abrazaderas eléctricas se conecten a la batería en funcionamiento. El recipiente 12 puede incluir opcionalmente una correa (25 como se ilustra), asa u otro dispositivo de elevación de la batería para facilitar el manejo de la batería.
Los componentes dentro del recipiente 12 incluyen varias paredes divisorias 26 que se extienden verticalmente a través de la parte inferior 14 del recipiente y dividen la parte inferior 14 del recipiente en una pluralidad de compartimentos de celda separados. Estas paredes divisorias están generalmente selladas a las superficies interiores del suelo inferior 16, a la cubierta de panel superior 20 y a las paredes laterales delantera y trasera 18 del recipiente para evitar la filtración de fluido ácido 28 (también denominado electrolito 28) más allá de las paredes divisorias 26.
En una realización, el electrolito 28 comprende ácido sulfúrico. En una realización, el electrolito comprende ácido sulfúrico en una cantidad tal que el electrolito tenga una densidad de 1,260 a 1,300 gramos por centímetro cúbico (g/cm3) medido a 15 °C en estado de carga completa. En otras realizaciones, puede ser deseable que el electrolito tenga una densidad inferior a 1,280 g/cm3 medido a 15 °C en un estado de carga completa. El electrolito 28 está presente en una cantidad suficiente para inundar las placas negativas 32 y las placas positivas 34. La cantidad exacta de electrolito 28 puede variar dependiendo de la aplicación deseada.
En una realización, las paredes divisorias 26 y las paredes 18 del recipiente 12 forman compartimentos de celda 30 que contienen cada uno una pila vertical de placas negativas 32 y placas positivas 34, que se describen con más detalle en relación con la figura 2. A diferencia de las baterías convencionales de plomo-ácido inundadas, un sustrato de pegado que comprende fibras de vidrio se incrusta en el material activo de una o más superficies de las placas negativas 32 y/o las placas positivas 34. El grado al que el sustrato de pegado se incrusta en el material activo puede variar según el diseño. En una realización, el sustrato de pegado tiene al menos el 5 % de su espesor nominal incrustado en el material activo. En otra realización, el sustrato de pegado tiene al menos el 10 % de su espesor nominal incrustado en el material activo. En una realización, del 20 % al 100 % del espesor nominal está incrustado en el material activo, específicamente del 50 % al 75 %. En una realización, al menos el 50 % del espesor nominal está incrustado en el material activo. En otras realizaciones, es deseable tener menos del espesor nominal total incrustado en el material activo. Específicamente, menos del 90 % del espesor nominal está incrustado en el material activo, específicamente del 10 % al 90 %. El sustrato de pegado se incrusta en el material activo mientras el material activo todavía está en estado húmedo.
En una realización, el sustrato de pegado tiene cierto grado de elasticidad de modo que pueda comprimirse dentro del recipiente 12. Por ejemplo, el sustrato de pegado tiene un espesor inicial, en donde el espesor del sustrato de pegado tiene un espesor comprimido dentro del recipiente que es al menos del 10 % al 20 %, específicamente del 10 % al 15 %, menor que el espesor inicial.
Sin desear quedar ligado a teoría alguna, se cree que incrustando un sustrato de pegado que comprende fibras de vidrio en el material activo se pueden obtener una serie de ventajas sobre el papel de pegado convencional que comprende celulosa. Específicamente, se cree que el sustrato de pegado que comprende fibra de vidrio mejora el transporte de ácido en comparación con los papeles de pegado convencionales al proporcionar una vía de flujo de ácido hacia el material activo. Dado que las fibras de vidrio no se disuelven en el electrolito ácido, pueden permanecer en contacto con el material activo para proporcionar una mayor resistencia de placa e integridad estructural al material activo. Adicionalmente, se cree que en comparación con sustratos de pegado que comprenden fibras sustancialmente poliméricas, las fibras de vidrio resisten mejor el entorno oxidante de las placas positivas.
En varias realizaciones, el sustrato de pegado se puede utilizar con o además del papel de pegado tradicional. Por ejemplo, en varias realizaciones, el sustrato de pegado se puede usar en lugar del papel de pegado convencional en conexión con algunas o todas las placas positivas solamente. En varias realizaciones, el sustrato de pegado puede usarse en lugar del papel de pegado convencional en algunas o todas las placas negativas solamente. En otras realizaciones, algunas o todas las placas positivas 32 y las placas negativas 34 emplean el sustrato de pegado descrito en el presente documento. En otras realizaciones más, el sustrato de papel de pegado puede ser un componente distinto de la batería además del separador 38. En otras realizaciones, el sustrato de pegado puede ser una parte integral del separador 38 tal como una capa que es parte del separador 38 o actúa como el separador 38. Dicho de otra forma, se prevén realizaciones en donde el sustrato de pegado actúa como soporte durante el proceso de pegado y como separador cuando las placas están dispuestas dentro de la batería.
En una realización, el sustrato de pegado comprende más del 50 % en peso de fibras de vidrio basado en el peso total del sustrato de pegado, y más deseablemente más del 75 % en peso. En otras realizaciones, el sustrato de pegado está sustancialmente libre de fibras de vidrio y comprende una resina termoplástica, tales como poliésteres y polipropileno. Las fibras de vidrio pueden tener beneficios para algunas aplicaciones, mientras que las fibras termoplásticas pueden ser aceptables para otras aplicaciones. Se prevén realizaciones en las que se emplean mezclas de fibras de vidrio y fibras termoplásticas. Se prevén otras realizaciones en las que se mezclan fibras de vidrio y/o resinas termoplásticas con fibras celulósicas.
En una realización, las fibras pueden tener un diámetro medio de fibra de 5 micrómetros (gm) hasta 16 gm, específicamente, la fibra puede comprender una mezcla de fibras que tienen un diámetro medio de fibra de 5 gm a 8 gm (primer diámetro de fibra) con fibras que tienen un diámetro medio de fibra de 11 a 14 gm (segundo diámetro de fibra). En una realización específica, la relación entre el primer diámetro de fibra y el segundo diámetro de fibra varía de 2:1 a 1:2, incluso más específicamente en una realización, la relación entre el primer diámetro de fibra y el segundo diámetro de fibra es aproximadamente 1:1 (más o menos el 10 %).
Además del diámetro de la fibra, la longitud de la fibra es otra variable de la fibra que se puede variar para obtener el rendimiento deseado. En una realización, la fibra puede tener una longitud media de fibra de 5 milímetros (mm) a 16 milímetros y puede comprender una mezcla de longitudes de fibra. Por ejemplo, en una realización, las fibras comprenden una mezcla de fibras que tienen una longitud media de fibra de 5 milímetros a 7 milímetros (primera longitud de fibra) con fibras que tienen una longitud media de fibra de 11 milímetros a 14 milímetros (segunda longitud de fibra). En una realización específica, la relación entre la primera longitud de fibra y la segunda longitud de fibra varía de 2:1 a 1:2, incluso más específicamente, en una realización, la relación entre la primera longitud de fibra y la segunda longitud de fibra es aproximadamente 1:1 (más o menos el 10 %).
En una realización, las fibras pueden tener relaciones de diámetro/longitud medios de 11 micrómetros (gm)/13 mm a 13 gm/13 mm. En una realización, el sustrato de pegado tiene un peso base de 23 gramos por metro cuadrado (g/m2) hasta 31 g/m2 y puede tener un espesor de 0,12 milímetros (mm) a 0,25 mm medidos a 10 kPa. El sustrato de pegado se puede formar mediante varios procesos diferentes. En una realización particular, el sustrato de pegado es un sustrato no tejido que comprende fibras de vidrio.
En una realización, las placas negativas 32 se sumergen en un separador polimérico poroso 38, que separa las placas negativas 32 de las placas positivas 34. En otra realización, las placas positivas 34 se sumergen en un separador polimérico 38. El separador puede ser, por ejemplo, un separador de envoltura, o alternativamente un separador de hojas sueltas. En varias realizaciones, el separador comprende una poliolefina. Los ejemplos de poliolefinas que pueden usarse incluyen, pero sin limitación, polietileno, polipropileno, polibuteno, copolímeros de etileno-propileno, copolímeros de etileno-buteno, copolímeros de propileno-buteno y copolímeros de etilenopropileno-buteno.
Como se ilustra en la figura 1, las orejetas o lengüetas 36 proporcionan un contacto de conexión eléctrica. Las placas negativas 32 están comúnmente conectadas mediante conectores 40 de divisiones que están en contacto eléctrico con las orejetas de placa. De manera similar, un conector 42 de celda a borne está unido a la parte inferior del borne negativo y también en contacto eléctrico con las orejetas de placa. Las placas positivas 34 están conectadas de manera similar a través de los conectores de división y un conector de celda a borne unido al borne positivo.
Los bordes inferiores de las placas 32, 34 pueden opcionalmente estar soportados por apoyos de elemento 44 que pueden sentarse debajo de las placas en el suelo inferior 16 del recipiente inferior 14. En una realización, las placas 34, 34, especialmente las placas positivas sin envolver se pueden anclar a los apoyos de elemento mediante un material de unión 46, como una resina epoxi, adhesivo de fusión en caliente o un sujetador mecánico como pestañas, cintas, bloques, u otro material de unión o sujetador que evite el movimiento de las placas 32, 34 en el recipiente 12. Los apoyos de elemento sostienen la parte inferior de las placas fuera de la superficie inferior de las celdas de modo que un sumidero de sedimentos 48 debajo de las placas pueda contener cualquier residuo u otro material extraño y separar y mantener ese material alejado de las placas.
La figura 2 muestra una placa de batería 32, 34 representativa en la que se ha eliminado una parte del material activo de la rejilla de placa subyacente 50 para mostrar la estructura de reja de la placa que proporciona un armazón que soporta el material activo. En algunas realizaciones, la placa puede tener bordes 52 en dos o cuatro lados para soporte estructural. El patrón de reja puede variar según varios parámetros de diseño. La rejilla de placa subyacente puede estar formada por un material conductor, típicamente plomo o una aleación de plomo. El patrón que se muestra en la figura 2 es meramente ilustrativo. La rejilla de placa subyacente 50 se puede formar de acuerdo con varios procesos y no se pretende que limite el alcance de la invención reivindicada en el presente documento. A modo de ejemplo, la reja se puede formar mediante (1) procesos por lotes tales como colada por gravedad en moldes de libros; y (2) procesos continuos como expansión de tiras, estampado de tiras, colada continua y colada continua seguida de laminación.
El material activo 54, a menudo denominado pasta en estado húmedo, es típicamente un material a base de plomo (p. ej., PbO, PbO2 , Pb o PbSO4 en diferentes estados de carga/descarga de la batería). El material activo se aplica a la rejilla de placa subyacente 50 como una pasta y el sustrato de pegado 56 se incrusta en el material activo como se discutió anteriormente mientras la pasta está en un estado húmedo. En la figura 2, el sustrato de pegado 56 está representado temáticamente con un sombreado cruzado con fines ilustrativos.
Como se discutió con brevedad anteriormente, las baterías de plomo-ácido inundadas que están diseñadas de acuerdo con las realizaciones de esta descripción pueden extender la vida útil de la batería y/o cumplir con los requisitos de ciclos de carga/descarga elevados en comparación con las baterías de plomo-ácido inundadas convencionales. Adicionalmente, el uso de un sustrato de pegado puede ofrecer una serie de oportunidades de procesamiento continuo y beneficios de manipulación durante el proceso de fabricación.
Si bien la invención se ha descrito con referencia a un ejemplo de realización, los expertos en la técnica entenderán que pueden realizarse varios cambios y pueden sustituirse elementos de los mismos por equivalentes sin apartarse del alcance de la invención. Así mismo, se pueden realizar muchas modificaciones para adaptar una situación o material particular a las enseñanzas de la invención sin apartarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se pretende que la invención no se limite a la realización particular descrita como el mejor modo contemplado para llevar a cabo la invención, pero que la invención incluirá todas las realizaciones que caigan dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Una batería de plomo-ácido inundada, que comprende:
un recipiente;
una pluralidad de placas positivas dispuestas en el recipiente;
una pluralidad de placas negativas dispuestas en el recipiente;
un sustrato de pegado incrustado en un material activo de al menos una superficie de las placas positivas o las placas negativas de cada pluralidad respectiva, en donde el sustrato de pegado tiene un peso base de 23 g/m2 hasta 31 g/m2 y el sustrato de pegado comprende más de aproximadamente 50 % en peso de fibras de vidrio basado en el peso total del sustrato de pegado; y
un electrolito dispuesto en el recipiente a un nivel suficiente para inundar la pluralidad de placas positivas y negativas,
en donde el sustrato de pegado comprende una mezcla de fibras que tienen un diámetro medio de fibra de 5 pm a 8 pm con fibras que tienen un diámetro medio de fibra de 11 a 14 pm.
2. La batería de plomo-ácido inundada según la reivindicación 1, en donde el sustrato de pegado comprende una mezcla de fibras que tienen una longitud media de fibra de 5 milímetros a 7 milímetros con fibras que tienen una longitud media de fibra de 11 milímetros a 14 milímetros.
3. La batería de plomo-ácido inundada según la reivindicación 1 o 2, en donde el sustrato de pegado es un sustrato no tejido que comprende fibras de vidrio.
4. La batería de plomo-ácido inundada según la reivindicación 3, en donde las fibras de vidrio tienen una relación de diámetro medio de fibra/longitud media de fibra de 11 micrómetros/13 mm a 13 micrómetros/13 mm.
5. La batería de plomo-ácido inundada según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el espesor del sustrato de pegado tiene un espesor comprimido dentro del recipiente que es al menos de un 10 a un 20 % menos que el espesor inicial.
6. La batería de plomo-ácido inundada según la reivindicación 5, en donde el electrolito comprende ácido sulfúrico en una cantidad tal que el electrolito tiene una densidad de 1,260 a 1,300 g/cm3 medido a 15 °C en un estado completamente cargado.
7. La batería de plomo-ácido inundada según la reivindicación 6, en donde el electrolito tiene una densidad menor de 1,280 g/cm3 medido a 15 °C en un estado completamente cargado.
8. La batería de plomo-ácido inundada según la reivindicación 5, que comprende además un separador adicional dispuesto en el recipiente entre cada una de la pluralidad de placas positivas y cada una de la pluralidad de placas negativas.
9. La batería de plomo-ácido inundada según la reivindicación 8, en donde el sustrato de pegado tiene un espesor de 0,12 mm a 0,25 mm medido a 10 kPa.
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