ES2908229T3 - Separador mejorado para baterías de ácido de plomo y uso del separador - Google Patents

Abstract

Un separador para una batería de ácido de plomo de parada y arranque en ralentí que comprende una membrana microporosa hecha de un polímero, teniendo la membrana una pluralidad de nervaduras transversales en un primer lado, mirando la nervadura transversal hacia un electrodo negativo y siendo perpendicular a la nervadura en un lado que mira hacia el electrodo positivo, en donde las nervaduras transversales negativas están interrumpidas por áreas planas, fisuras o rebajes detrás de cada nervadura positiva, en donde dichas partes planas, fisuras o rebajes forman canales que se extienden longitudinalmente.

Description

DESCRIPCIÓN

Separador mejorado para baterías de ácido de plomo y uso del separador

Campo de la invención

La presente invención está dirigida a separadores como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Antecedentes

Para reducir el consumo de combustible y la generación de emisiones del tubo de escape, los fabricantes de automóviles han implementado grados variables de hibridación eléctrica. (Véase la Figura 1) Una forma de vehículo eléctrico híbrido (HEV) a menudo se denomina 'micro HEV'. En dicho micro HEV o conceptos, el automóvil tiene la función de parada y arranque en ralentí (ISS) y, a menudo, frenado regenerativo. Para mantener bajos los costes, muchos fabricantes de automóviles consideran una batería de ácido de plomo inundada para cumplir con la funcionalidad eléctrica asociada con la función ISS. Dado que la funcionalidad asociada con esta batería a menudo es diferente a la de una aplicación automotriz estándar, tal como una batería de arranque, alumbrado e ignición (SLI), esto puede dar como resultado diferentes funciones o rendimiento preferido del separador de batería ISS (y la batería ISS).

La batería de ácido de plomo inundada ISS funcionará en un estado de carga parcial (PSoC), aproximadamente del 50 al 80%, a diferencia de la batería SLI típica, que normalmente funciona con un estado de carga del 100%. Con el frenado regenerativo y el rearranque frecuente, la batería experimentará ciclos de carga y recarga poco profundos. En función del diseño del sistema eléctrico, es posible que la batería ISS normalmente no se sobrecargue y, por lo tanto, es posible que no genere oxígeno ni gas hidrógeno, lo cual puede ser útil para la mezcla de ácidos.

Aunque la batería ISS elegida puede ser una ISS o una batería de ácido de plomo inundada mejorada, se entiende que la batería ISS puede ser una batería de gel, polímero u otra batería, un condensador, un supercondensador, un acumulador, una combinación de batería/condensador y/o similares.

La llegada de micro HEV e ISS con o sin frenado regenerativo establece nuevas demandas en la batería y el separador de baterías. Así pues, existe la necesidad de separadores de baterías, baterías, sistemas, componentes, composiciones y/o procedimientos de fabricación y/o procedimientos de uso nuevos o mejoradas; separadores de baterías con rendimiento nuevo, mejorado, único y/o complejo, separadores de baterías de ácido de plomo, separadores de baterías de ácido de plomo inundadas, separadores de baterías de ácido de plomo inundadas mejoradas, separadores de baterías ISS o microhíbridas, separadores de baterías de ácido de plomo ISS inundadas, separadores de baterías de ácido de plomo ISS inundadas mejoradas, baterías que incluyen dichos separadores, sistemas o vehículos que incluyen dichas baterías o separadores y/o procedimientos de producción y/o procedimientos de uso; y/o similares.

Es conocido que un grupo de compuestos inorgánicos (minerales) se unen eficazmente a metales pesados tales como el plomo, el cadmio, el hierro, el zinc y el cobre. El mecanismo por el cual los minerales se unen a los metales pesados se denomina "estabilización de metales inducida por fosfato" (PIMS) y se utiliza ampliamente para las acciones correctivas medioambientales de metales pesados procedentes de suelos y aguas contaminados. En las aplicaciones de acciones correctivas medioambientales, las cantidades en masa de minerales que poseen afinidad PIMS con los metales tóxicos se mezclan con suelo contaminado o se recogen dentro de una carcasa donde el agua contaminada puede filtrarse a través de la torta del mineral PIMS en masa y reducir la contaminación por metales pesados.

Un modo de fallo común dentro de la industria de las baterías de ácido de plomo (o de plomo-calcio) es el fenómeno de los "cortocircuitos de hidratación''. Este tipo de cortocircuito se forma típicamente en baterías cuando se les permite permanecer en concentraciones de ácido muy bajas (baja carga) durante un periodo de tiempo prolongado. En estado de carga, la densidad del ácido es alta (por ejemplo, 1,28 g/cm3) y la solubilidad del sulfato de plomo es baja. A baja carga, la densidad del ácido disminuye y la solubilidad del sulfato de plomo aumenta. A baja carga, el sulfato de plomo (PbSO4), de las placas de los electrodos, entra en la solución electrolítica (ácido sulfúrico H²SO⁴). Al recargar, el sulfato de plomo se precipita y puede formar una capa en el fondo de muchos de los poros del separador (los poros del separador son grandes en comparación con los radios iónicos del plomo y el sulfato). Con la recarga adicional de la batería y el contacto con el electrodo negativo de la batería, el sulfato de plomo precipitado se puede reducir a plomo y se pueden generar miles de microcortocircuitos entre los electrodos (cortocircuitos de hidratación y fallo de la batería).

Típicamente, este fenómeno de "cortocircuitos de hidratación" se produce cuando una batería se descarga lentamente, como en el caso del almacenamiento durante periodos prolongados sin mantenimiento de la carga. El planteamiento convencional para la prevención de los cortocircuitos de hidratación consiste en la incorporación de sulfato de sodio (Na2SO4) a la solución electrolítica durante la fabricación de la batería. Este planteamiento requiere una etapa de fabricación adicional, la incorporación de sulfato de sodio al electrolito, y añade complejidad al procesamiento de la batería. La incorporación de sulfato de sodio actúa para "obstaculizar" los cortocircuitos de hidratación a través del efecto de los iones comunes, pero no aborda la causa raíz (generación de plomo soluble).

El documento US 1529839, por ejemplo, está dirigido a un separador de madera que tiene nervaduras para una batería de almacenamiento. Los documentos WO 94/20995 y US33514965 están dirigidos a un separador de batería compuesto por una lámina microporosa compuesta formada a partir de una mezcla uniforme de polímero, relleno y un coadyuvante tecnológico. El documento US6632561 está dirigido a un separador de batería que comprende un aglutinante sólido y un aglutinante polimérico. El documento US2008/0182933 está dirigido a una película porosa que se puede usar como separador en una batería de litio y la película incluye un tratamiento de relleno con un tensioactivo y un quelato. El documento US 2009/030100 A1 se refiere a un agente de formación de poros finos para formar una película de resina porosa, que es adecuada para su uso como separador de baterías. Además, se menciona el uso de hidroxiapatita como componente en un electrolito de una batería de ácido de plomo.

Además, el documento US 1529839 A describe un separador básico para baterías de almacenamiento, que comprende una pieza de madera con nervaduras para reforzar el separador. En el documento US 3.351.495 se describe un separador de batería que comprende una superficie plana y una película microporosa y se puede usar para baterías alcalinas y ácidas. Un separador para baterías de arranque según el documento US 4.927.722 está hecho de material sintético elástico, que tiene nervaduras sólidas formadas integralmente en ambos lados del material sintético, de modo que en el lado delantero del separador que mira hacia la placa eléctrica positiva se disponen una serie de nervaduras. La altura de las nervaduras es mayor que el grosor de la lámina del separador, mientras que las nervaduras del lado posterior del separador que miran hacia la placa del electrodo negativo tienen una altura menor que las nervaduras del lado delantero.

En "Aspects of optimizing polyethylene separators", Bohnstedt W., Journal of Power Sources, Elsevier SA, CH, vol.

95, núm. 1-2 de marzo de 2001, páginas 234-240) se analiza una variedad de separadores de baterías para conseguir la optimización de las propiedades del separador de polietileno, en base a variaciones razonables en el material y la forma, en particular con respecto a la resistencia eléctrica y la estabilidad química.

Como tal, existe la necesidad de separadores de baterías nuevos o mejorados y similares para aplicaciones de batería particulares, usos particulares y/o para solucionar, reducir o eliminar el fenómeno de los "cortocircuitos de hidratación" en baterías de ácido de plomo.

Compendio

Esta necesidad es abordada mediante un separador para una batería de ácido de plomo de parada y arranque en ralentí (ISS) según la reivindicación independiente 1. Los rasgos característicos y realizaciones ventajosas del separador de batería según la invención se describen en las reivindicaciones dependientes.

Según al menos realizaciones seleccionadas, la presente invención aborda, proporciona o está dirigida a las necesidades anteriores de separadores de baterías y/o procedimientos de uso nuevos o mejorados; separadores de baterías de rendimiento nuevo, mejorado, único y/o complejo, separadores de baterías de ácido de plomo, separadores de baterías de ácido de plomo inundadas, separadores de baterías de ácido de plomo inundadas mejoradas, separadores de baterías ISS o microhíbridas, separadores de baterías de ácido de plomo inundadas, separadores de baterías de ácido de plomo ISS inundadas mejoradas y/o procedimientos de uso.

La llegada de micro HEV e ISS con o sin frenado regenerativo establece nuevas demandas en la batería y el separador de baterías. (Véase la Figura 2). Dichas nuevas demandas pueden abordarse o satisfacerse mediante al menos determinadas realizaciones de los separadores de la presente invención.

La batería de ácido de plomo inundada ISS funcionará en un estado de carga parcial (PSoC), aproximadamente del 50 al 80%, a diferencia de la batería SLI típica, que normalmente funciona con un estado de carga del 100%. Con el frenado regenerativo y el rearranque frecuente, la batería experimentará ciclos de carga y recarga poco profundos. En función del diseño del sistema eléctrico, es posible que la batería ISS normalmente no se sobrecargue y, por lo tanto, es posible que no genere oxígeno ni gas hidrógeno, lo cual puede ser útil para la mezcla de ácidos.

Las nuevas demandas descritas anteriormente pueden conducir preferiblemente a los siguientes cambios específicos posiblemente preferidos en el separador, la batería y/o el sistema eléctrico:

1) Aceptación de carga/Suministro de potencia: la batería de ácido de plomo es un excelente medio de almacenamiento de energía, pero una de las limitaciones es la capacidad de aceptar carga rápidamente, particularmente cuando la batería está en un estado de carga alto. En las aplicaciones ISS, esta carga rápida puede proceder del uso de frenado regenerativo, que recuperará gran parte de la energía utilizada para reducir la velocidad del vehículo. Por este motivo, la batería normalmente funcionará con un estado de carga más bajo. El separador de batería también debe contribuir a la capacidad de la batería para aceptar la carga rápidamente. A continuación, se presentan algunos cambios preferidos específicos en el separador para ayudar a aumentar la aceptación de carga/suministro de potencia.

a. Resistencia eléctrica (RE) baja: para maximizar la aceptación de carga durante el frenado regenerativo y el suministro de potencia durante el rearranque del motor de combustión interna, puede ser importante minimizar la RE del separador. La RE del separador se puede bajar por medio de los siguientes procedimientos:

i. Bajar el grosor la banda posterior (BW): dado que el grosor de BW es el principal contribuyente a la RE del separador, se puede reducir a partir de los valores típicos que oscilan entre 150 a 250 micras. Sin embargo, a medida que se hace esto, el material puede volverse muy difícil de procesar en las envolturas típicas. Aquí se recomienda bajar el grosor de BW entre 75 a 150 micras y luego reforzar la rigidez transversal con el uso de nervaduras cruzadas negativas. (Véase las Figuras 5 y 6)

ii. Aumentar la proporción de sílice a polímero: un segundo procedimiento para reducir la RE en el separador es aumentar la carga de sílice en relación con el contenido de polímero. Un problema posiblemente significativo con este cambio es que la resistencia a la oxidación del separador puede verse comprometida hasta cierto punto. En una batería SLI estándar, la batería está sometida a una fuerte sobrecarga, en la que se generan especies oxidantes en la placa positiva. Sin embargo, en las aplicaciones ISS, la batería no generará especies oxidantes ya que las situaciones de sobrecarga estarán limitadas por el diseño del sistema eléctrico, por lo tanto, no se requerirá que el separador tenga tanta resistencia a la oxidación como se requiere en una aplicación SLI típica. La proporción de sílice a polímero podría variar de aproximadamente 3,0/1,0 a 5,0/1,0.

iii. Utilizar sílice con alta absorción de aceite: un tercer planteamiento para reducir la RE es utilizar sílice con un área de la superficie alta (por ejemplo, > 200 g/m2), que típicamente produce una alta absorción de aceite. Con este tipo de sílice, la cantidad de agente formador de poros se puede aumentar del 60 al 65% en peso al 70 y al 80% en el proceso de extrusión y, por lo tanto, produce una porosidad final significativamente mayor y una menor resistencia eléctrica. (Véase la Figura 11)

b. Minimizar el atrapamiento de gas: se ha reconocido que el hidrógeno y el oxígeno gaseosos generados por los materiales activos de la batería durante la carga y la descarga pueden quedar atrapados en el separador, lo que aísla una parte de la placa y la vuelve incapaz de participar en las reacciones de carga y descarga. En última instancia, esto puede limitar la capacidad de la batería para aceptar la carga y suministrar potencia. Los siguientes son algunos cambios específicos para reducir la posibilidad de atrapamiento de gas:

i. Estructura laminada: en varios de los diseños que se han propuesto para las baterías ISS, se ha incorporado una estructura laminada en el separador para ayudar a retener el material activo positivo (PAM) en la placa positiva. En general, estos laminados tienden a aumentar la cantidad de gas atrapado en la celda. (Véase las Figuras 12 y 13) Al modificar la estructura laminada, se anticipa que el atrapamiento de gas podría reducirse significativamente. Las posibles modificaciones preferidas podrían ser:

1. Tratamiento del laminado con un producto químico o plasma para modificar la energía de la superficie y desprender burbujas de gas.

2. Perforación para permitir que las burbujas en un área se coagulen y escapen de la matriz laminada

3. Incorporación de agentes nucleantes

4. Cambio de la estructura del laminado durante la formación.

5. Incorporación de fibras poliméricas a la estructura laminada

6. Incorporación de agentes humectantes

7. Cambiar la orientación de la estructura de fibra del laminado para que sea menos probable que las burbujas de gas se adhieran a la estructura.

8. Minimizar el grosor de la estructura para que simplemente haya menos sitios para la adhesión de burbujas.

ii. Selección del agente humectante: se ha demostrado que la selección de un agente humectante para su uso en el separador de polietileno puede tener una influencia significativa en la retención de burbujas de gas en la celda. Se entiende que los agentes humectantes con un comportamiento más hidrófobo pueden presentar un mejor resultado en este aspecto que aquellos que tienden a ser hidrófilos. Por ejemplo, en general se prefieren los alcoholes grasos etoxilados a los sulfosuccinatos sustituidos.

iii. Nervaduras cruzadas (negativas y/o positivas): en las pruebas realizadas para examinar el comportamiento de la gasificación, se observó que las pequeñas nervaduras cruzadas negativas parecen ayudar en la nucleación y/o el transporte de burbujas de gas hacia el exterior de la celda, lo que permite el escape de gas entre las placas, lo que reduce la posibilidad de atrapamiento de gas.

iv. Nucleación de gas: se puede realizar una amplia variedad de modificaciones en el separador para ayudar a proporcionar áreas en el separador que actúen como sitios de nucleación para que las burbujas de gas crezcan rápida y eficazmente hasta el punto en que se liberen del separador y se desplacen fuera del área entre las placas.

1. Forma: al incorporar determinadas nanoestructuras en la superficie del separador de polietileno, la nucleación de gas puede aumentar significativamente. Estas nanoestructuras pueden adoptar la forma de pirámides, cheurones o pilares, por ejemplo. Pueden formarse por calandrado, ablación láser u oxidación química controlada.

2. Aditivos: se pueden incorporar aditivos en la matriz del separador para proporcionar áreas en la superficie donde cambien la estructura o la energía de la superficie. Estos cambios fomentarán la nucleación de pequeñas burbujas de gas generadas hasta un volumen crítico. Ejemplos de estos aditivos son las fibras de carbono, los nanotubos de carbono o el sulfato de bario.

2) Cortocircuitos de hidratación: este tipo de cortocircuito se forma en las baterías cuando se les permite permanecer en concentraciones de ácido muy bajas durante un periodo de tiempo prolongado. Este fenómeno se conoce bien en la industria de las baterías, al igual que el uso de sulfato de sodio en el electrolito como acción correctiva potencial para este fenómeno. En una aplicación ISS, donde la batería rara vez recibe una carga completa, se cree que el peligro de formar cortocircuitos de hidratación es significativamente mayor que en una batería SLI típica. Los siguientes son algunos de los cambios significativos en el separador que pueden ayudar a reducir la aparición de cortocircuitos de hidratación:

a. Efecto de los iones comunes: es bien conocido que la incorporación de sulfato de sodio al electrolito de la batería impedirá la formación de cortocircuitos de hidratación a través del efecto de los iones comunes. En la presente variante, el sulfato de sodio se incorpora a la matriz del separador (y/o al laminado), lo que permite que el sulfato de sodio esté en la ubicación adecuada para reducir de la manera más eficaz la posibilidad de formación de cortocircuitos de hidratación.

b. Secuestro de metales pesados: al adsorber y secuestrar irreversiblemente los iones de plomo que están en solución, se pueden incorporar determinados aditivos al separador para impedir la formación de cortocircuitos de hidratación. Algunos ejemplos de materiales que se pueden usar para esto incluyen la apatita, las zeolitas, las ligninas y los derivados del caucho.

c. Ubicación de los aditivos: cabe destacar que los aditivos asociados con el efecto de los iones comunes o el secuestro de metales pesados pueden añadirse directamente a la matriz del separador, recubrirse o contenerse en una estructura laminada o recubrirse en el contenedor de la carcasa de la batería ya sea antes o después del proceso de moldeo por inyección y/o similares.

d. Bajar el desplazamiento del ácido: si el separador es capaz de desplazar menos ácido, la cantidad total de iones de sulfato en la solución ácida será mayor, lo que provocará un retardo del efecto de hidratación. En otras palabras, esto sería un tampón adicional contra la descarga excesiva de la batería. Para conseguirlo, las posibles modificaciones preferidas del separador pueden incluir un menor grosor de la banda posterior (como se analiza previamente), una mayor porosidad o menos masa de nervaduras del separador.

i. Nervaduras dentadas/almenadas: se puede usar un diseño de nervaduras dentadas o almenadas para eliminar la masa de las nervaduras. Este concepto se detalla en la patente estadounidense 7.094.498. Al modificar el diseño de las nervaduras de esta manera, el separador tendrá menos desplazamiento del ácido.

3) Mejorar la duración de la vida útil por ciclo: para cumplir con las expectativas de los fabricantes de baterías y vehículos, se debe mejorar la duración de la vida útil por ciclo de una batería de ácido de plomo típica, particularmente cuando la batería está sometida a altas temperaturas y unos ciclos de trabajo intensos. Una escuela de pensamiento es reducir el estado de carga de la batería para reducir la cantidad de sobrecarga y la posterior corrosión de la placa positiva. Sin embargo, si se sigue esta vía, la posibilidad de tener cortocircuitos de hidratación aumenta drásticamente. Al modificar el separador, estos problemas potenciales se pueden eliminar. Algunas de las posibles modificaciones preferidas se detallan a continuación.

a. Laminado: en muchas baterías de ácido de plomo de ciclo profundo, los laminados se utilizan para retener la masa activa positiva en la rejilla positiva. Esta estructura finalmente se incorporó en la placa positiva como consecuencia de la expansión natural de la masa activa positiva durante los ciclos de trabajo. De este modo, la masa activa positiva puede mantener un contacto íntimo y, por lo tanto, la capacidad durante un periodo de tiempo significativamente más largo de lo que sería posible de otro modo. Se prevé que los separadores para aplicaciones ISS inundadas incorporarán un laminado, ya que el ciclo de trabajo y el entorno previstos serán duros.

i. Malla de vidrio: en muchas baterías de ácido de plomo inundadas, se utilizan mallas de vidrio para ayudar a mantener un contacto íntimo entre el material activo positivo y la rejilla positiva. Una posible variante prevista para la ISS seguirá utilizando mallas de vidrio, aunque con la posibilidad de mezclar diferentes longitudes y anchuras de fibra en las mallas con un grosor comprimido de 0,1 mm a 1,0 mm.

ii. No tejidos sintéticos: las mallas no tejidas de polímero también se han utilizado recientemente como retenedores de material activo en baterías de ácido de plomo. Estos materiales suelen estar hechos de poliéster. (Consulte la solicitud de patente publicada de Polymat, US 2006/0141350 A1)

iii. Híbrido: se cree que los híbridos de vidrio mezclados con polímeros pueden incorporarse en una malla híbrida, que tendrá la rigidez y la resistencia a la oxidación intrínseca al vidrio con la resistencia al desgarro y la tenacidad de los no tejidos. Combinando las propiedades de ambos materiales, se puede producir una malla con propiedades superiores para la batería.

b. Selección del perfil: la selección de un perfil o diseño de nervaduras a menudo no se considera que aporte beneficios a una batería de ácido de plomo inundada típica. Sin embargo, en aplicaciones ISS, se cree que el diseño del perfil puede tener un impacto mucho mayor en el rendimiento de la batería. El diseño del perfil puede contribuir al objetivo de tener un menor desplazamiento del ácido. (Véase la Figura 26). Por el contrario, dentro de la industria se ha establecido que un espaciado más estrecho de las nervaduras es favorable para las aplicaciones de ciclo profundo. Puede ser necesario un compromiso único entre los dos.

4) Estratificación del ácido: en una variedad de baterías de ácido de plomo inundadas, la estratificación del ácido en el electrolito ha sido un problema en aplicaciones con requisitos de ciclos intensos y pocas recargas completas. Cuando una batería realiza ciclos repetidamente, pero no está completamente cargada o sobrecargada, el ácido de la batería puede separarse hasta el punto en que habrá agua en la parte superior de la batería y ácido sulfúrico concentrado en la parte inferior. Típicamente, los fabricantes de baterías especificarán que una batería debe sobrecargarse hasta cierto punto, lo que promueve la electrólisis del agua. El hidrógeno y el oxígeno producidos durante esta sobrecarga agitarán el electrolito, mezclando el agua y el ácido. Como se menciona anteriormente, en las aplicaciones ISS, las baterías se mantendrán en condiciones de PSoC con pocas oportunidades de sobrecarga para mezclar el ácido. Por lo tanto, cualquier beneficio potencial para la mezcla de ácidos o el retardo de la estratificación del ácido desde el separador será fundamental.

a. Selección del perfil: como se menciona anteriormente, la selección de perfil será un atributo crítico para varias propiedades. Otro beneficio puede proceder de la incorporación de nervaduras horizontales a lo largo de la superficie del separador que actúan como una barrera física para la estratificación del ácido. Se cree que estas nervaduras cruzadas podrían tomar una amplia gama de formas (referencia a la solicitud de patente de nervaduras cruzadas negativas y a la patente de nervaduras cruzadas positivas mencionadas anteriormente).

b. Estructura laminada: la estructura laminada adherida al separador de polietileno también puede servir para desincentivar la estratificación del ácido. Al alinear las fibras en un patrón determinado a lo largo y a través del material, se prevé que la malla de vidrio pueda ayudar a evitar que el ácido se estratifique.

c. Área de la superficie: también se puede minimizar la estratificación del ácido aumentando el área de la superficie de la estructura del separador. Esto se puede lograr, primero, disminuyendo el diámetro de la fibra de la estructura laminada o, segundo, aumentando la superficie interna del separador según el tipo o la concentración de sílice.

5) VRLA: también se reconoce que las baterías de ácido de plomo reguladas por válvula (VRLA) pueden desempeñar un papel en el mercado de las aplicaciones ISS para automóviles. En este tipo de construcción, el electrolito es absorbido y retenido en la matriz del separador. Las tecnologías predominantes para esto utilizan un separador de malla de vidrio absorbente (AGM) o la gelificación del electrolito, típicamente con sílice como agente aglutinante. A continuación, se revisan con cierto detalle algunos planteamientos novedosos de la tecnología VRLA.

a. Separador gelificante de ácido: el separador de ácido gelificante (AJS) es un concepto que se ha utilizado en el pasado. Al modificar el separador para incorporar la sílice con un área de la superficie alta con una carga alta de dicha sílice en el separador de polietileno, se ha producido un producto nuevo o mejorado que permite que el separador absorba suficiente ácido para convertirlo en un separador viable para un diseño VRLA. Este producto AJS de Daramic puede permitir que un fabricante utilice equipos y técnicas de construcción de baterías inundadas estándar para producir un producto VRLA. El separador AJS tendrá un comportamiento superior en la mejora de los ciclos, ya que está en íntimo contacto con la placa positiva, lo que evita el desprendimiento de la materia activa. También evitará problemas de estratificación del ácido, ya que la matriz de polímero junto con la sílice impedirá el flujo y la separación del electrolito.

b. Híbrido de malla de vidrio absorbente/polietileno: uno de los factores limitantes clave para reducir el espaciado entre las placas en baterías con separadores AGM es la capacidad de la AGM para resistir frente a los defectos de las placas y evitar que se produzcan cortocircuitos. Típicamente, estos cortocircuitos no aparecen hasta que la batería ha pasado por el proceso completo de ensamblaje y carga, lo que aumenta el alto coste de este tipo de producto. Al incorporar una membrana del separador de PE plana dentro o en un lado del separador AGM, el espaciado entre placas en la batería puede reducirse sin aumentar los fallos de la primera vida útil. El separador de PE actuará como escudo, lo cual reduce la posibilidad de que defectos menores en la placa provoquen un cortocircuito.

c. Otros híbridos laminados: se cree que se podrían utilizar otros sistemas laminados, ya sean no tejidos u otras mallas de vidrio, junto con una membrana del separador de PE plana para fabricar un separador VRLA aceptable.

Es posible que se requiera la batería de almacenamiento de ácido de plomo no solo para suministrar potencia como fuente de alimentación principal para automóviles eléctricos, sino también para proporcionar una nueva función como fuente de alimentación para el arranque y la recuperación de corriente regenerativa para automóviles eléctricos híbridos, automóviles híbridos simplificados y automóviles compatibles con ISS que tienen la función de parada y arranque en ralentí (ISS).

Según al menos realizaciones seleccionadas, la presente invención aborda la necesidad de separadores de baterías nuevos o mejorados para aplicaciones de baterías particulares, usos particulares y/o para solucionar, reducir o eliminar el fenómeno de los "cortocircuitos de hidratación" en las baterías de ácido de plomo.

Se proporciona un concepto que se cree novedoso que utiliza minerales PIMS como un componente de relleno dentro de un separador de batería de ácido de plomo microporoso. Según una realización o ejemplo particular posiblemente más preferido, el mineral PIMS (preferiblemente harina de pescado, un biomineral) se proporciona al menos como una sustitución parcial del componente de relleno de sílice en el separador de batería de ácido de plomo actual relleno de sílice (preferiblemente una formulación del separador de poliolefina / sílice o polietileno / sílice / aceite).

Se han identificado una variedad de minerales de "estabilización de metales inducida por fosfato" (PIMS); algunos de los cuales han sido evaluados por su afinidad con el plomo. Se ha demostrado que un mineral PIMS derivado de la espina de pescado (tal como la harina de pescado triturada en un laboratorio comercial) tiene una mayor afinidad por el ion plomo que las otras muestras evaluadas. El polvo de espina de pescado se extruyó a través de una operación piloto en un formato típico de separador de batería de ácido de plomo en varias concentraciones de carga. Se evaluó la eficacia de la eliminación del plomo del separador resultante que incorpora PIMS; el separador demostró una reducción sustancial de la concentración de plomo en una solución ácida. Por ejemplo, se demostraron reducciones del % de Pb de aproximadamente el 17% al 100%. Según al menos determinadas realizaciones, es preferible que el polvo de espina de pescado se añada para sustituir una porción del relleno de sílice a niveles de sustitución de aproximadamente el 1% al 20% de sílice, más preferiblemente de aproximadamente el 2% al 10% y lo más preferiblemente de aproximadamente el 2% al 5%. Según al menos otras realizaciones determinadas, se prefiere que el polvo de espina de pescado molido (harina de pescado molido) se añada para sustituir una porción del relleno de sílice a niveles de sustitución de aproximadamente el 1% al 50% o más de la sílice, más preferiblemente alrededor del 5% al 30%, y lo más preferiblemente alrededor del 10% al 20%.

Se cree que este es el primer uso comercial de un biomineral en un separador de batería, en una resina de polímero de poliolefina extruida y en una película o membrana de polímero poroso.

La reducción de plomo se logra mediante la incorporación de minerales PIMS en los separadores de baterías de ácido de plomo, preferiblemente incorporando minerales PIMS derivados de espinas de pescado.

Hay disponible una gama de diversos rellenos minerales químicamente activos o reactivos que se pueden utilizar en el proceso de extracción y extrusión del separador. Estos minerales están disponibles a bajo coste en la pureza deseada y, en el caso de la espina de pescado, son subproductos industriales disponibles en múltiples fuentes. Las ventajas incluyen el bajo coste de la materia prima, así como la simplificación de los procesos de producción de baterías existentes que involucran sulfato de sodio.

Los separadores de la presente invención son materiales microporosos (p. ej., poros de menos de 1 micra).

Breve descripción de los dibujos

Las hojas con los dibujos 1 a 33 son diapositivas, ilustraciones, texto, gráficos y/o imágenes respectivas y forman parte integral de esta solicitud y se basa en ellas para todo lo que muestran y divulgan. Por ejemplo, las Figuras 5, 26, 27 y 32 ilustran separadores.

Descripción detallada de la invención

El separador incluye preferiblemente uno o más, más preferiblemente incluye dos o más, y posiblemente lo más preferiblemente incluye tres o más de las siguientes mejoras, rasgos característicos, cambios, modificaciones, realces, rendimiento, características, perfiles, formas, configuraciones, estructuras, partes, atributos, espaciados, grosores, proporciones, combinaciones, mezclas, formulaciones, aditivos, agentes, recubrimientos, capas, laminados, mallas, no tejidos, superficies, inclusiones, efectos, realizaciones, ejemplos, combinaciones, subcombinaciones y/o similares: 1) Aceptación de carga/suministro de potencia: funciones preferidas o cambios en el separador para ayudar a aumentar la aceptación de carga/suministro de potencia:

a. Resistencia eléctrica (RE) baja o más baja: para maximizar la aceptación de carga durante el frenado regenerativo y el suministro de potencia durante el rearranque del motor de combustión interna, puede ser importante minimizar la RE del separador. La RE del separador se puede bajar por medio de los siguientes procedimientos:

i. Bajar el grosor la banda posterior (BW): dado que el grosor de BW es el principal contribuyente a la RE del separador, se puede reducir a partir de los valores típicos que oscilan entre 150 a 250 micras. Sin embargo, a medida que se hace esto, el material puede volverse muy difícil de procesar en las envolturas típicas. Aquí se recomienda bajar el grosor de BW entre 75 a 150 micras y luego reforzar la rigidez transversal con el uso de nervaduras cruzadas negativas. (Véase las Figuras 5 y 6)

ii. Aumentar la proporción de sílice a polímero: un segundo procedimiento para reducir la RE en el separador es aumentar la carga de sílice, en proporción con el contenido de polímero. Un problema posiblemente significativo con este cambio es que la resistencia a la oxidación del separador puede verse comprometida hasta cierto punto. En una batería SLI estándar, la batería está sometida a una fuerte sobrecarga, en la que se generan especies oxidantes en la placa positiva. Sin embargo, en las aplicaciones ISS, la batería no generará especies oxidantes ya que las situaciones de sobrecarga estarán limitadas por el diseño del sistema eléctrico, por lo tanto, no se requerirá que el separador tenga tanta resistencia a la oxidación como se requiere en una aplicación SLI típica. La proporción de sílice a polímero podría variar de aproximadamente 3,0/1,0 a 5,0/1,0.

iii. Utilizar sílice con alta absorción de aceite (área de la superficie alta) (aumentar la porosidad): un tercer planteamiento para reducir la RE del separador es utilizar sílice con un área de la superficie alta (por ejemplo, > 200 g/m2), que típicamente produce una alta absorción de aceite. Con este tipo de sílice, la cantidad de agente formador de poros se puede aumentar del 60 al 65% en peso al 70 y al 80% en el proceso de extrusión y, por lo tanto, produce una porosidad final significativamente mayor y una menor resistencia eléctrica. (Véase la Figura 11)

b. Minimizar el atrapamiento de gas: se ha reconocido que el hidrógeno y el oxígeno gaseosos generados por los materiales activos de la batería durante la carga y la descarga pueden quedar atrapados en el separador, lo que aísla una parte de la placa y la vuelve incapaz de participar en las reacciones de carga y descarga. En última instancia, esto puede limitar la capacidad de la batería para aceptar la carga y suministrar potencia. Los siguientes son algunos cambios específicos para reducir la posibilidad de atrapamiento de gas:

i. Estructura laminada y modificaciones: en varios de los diseños que se han propuesto para las baterías ISS, se ha incorporado una estructura laminada en el separador para ayudar a retener el material activo positivo (PAM) en la placa positiva. En general, estos laminados tienden a aumentar la cantidad de gas atrapado en la celda. (Véase las Figuras 12 y 13) Al modificar la estructura laminada, se anticipa que el atrapamiento de gas podría reducirse significativamente. Las posibles modificaciones preferidas podrían ser:

1. Tratamiento del laminado con un producto químico o plasma para modificar la energía de la superficie y desprender burbujas de gas.

2. Perforación para permitir que las burbujas en un área se coagulen y escapen de la matriz laminada.

3. Incorporación de agentes nucleantes.

4. Cambio de la estructura del laminado durante la formación.

5. Incorporación de fibras poliméricas y/o fibras poliméricas conformadas a la estructura laminada.

6. Incorporación de agentes humectantes (tensioactivos).

7. Cambiar la orientación de la estructura de fibra del laminado para que sea menos probable que las burbujas de gas se adhieran a la estructura.

8. Minimizar el grosor de la estructura para que simplemente haya menos sitios para la adhesión de burbujas.

ii. Selección del agente humectante: se ha demostrado que la selección de un agente humectante para su uso en el separador de polietileno puede tener una influencia significativa en la retención de burbujas de gas en la celda. Se entiende que los agentes humectantes con un comportamiento más hidrófobo pueden presentar un mejor resultado en este aspecto que aquellos que tienden a ser hidrófilos. Por ejemplo, en general se prefieren los alcoholes grasos etoxilados a los sulfosuccinatos sustituidos.

iii. Nervaduras cruzadas (negativas y/o positivas) en el separador: en las pruebas realizadas para examinar el comportamiento de la gasificación, se observó que las pequeñas nervaduras cruzadas negativas parecen ayudar en la nucleación y/o el transporte de burbujas de gas hacia el exterior de la celda, lo que permite el escape de gas entre las placas, lo que reduce la posibilidad de atrapamiento de gas.

iv. Nucleación de gas: se puede realizar una amplia variedad de modificaciones en el separador para ayudar a proporcionar áreas en el separador que actúen como sitios de nucleación para que las burbujas de gas crezcan rápida y eficazmente hasta el punto en que se liberen del separador y se desplacen fuera del área entre las placas.

1. Forma del perfil (rugosidad): al incorporar determinadas nanoestructuras en la superficie del separador de polietileno, la nucleación de gas puede aumentar significativamente. Estas nanoestructuras pueden adoptar la forma de pirámides, cheurones o pilares, por ejemplo. Pueden formarse por calandrado, ablación láser u oxidación química controlada.

2. Aditivos: se pueden incorporar aditivos en la matriz del separador (o en la superficie) para proporcionar áreas en la superficie donde cambien la estructura o la energía de la superficie. Estos cambios fomentarán la nucleación de pequeñas burbujas de gas generadas hasta un volumen crítico. Ejemplos de estos aditivos son las fibras de carbono, los nanotubos de carbono o el sulfato de bario.

2) Cortocircuitos de hidratación (obstaculizar, retrasar, reducir, eliminar): este tipo de cortocircuito se forma en las baterías cuando se les permite permanecer en concentraciones de ácido muy bajas durante un periodo de tiempo prolongado. Este fenómeno se conoce bien en la industria de las baterías, al igual que la incorporación de sulfato de sodio al electrolito para dificultar los cortocircuitos de hidratación. En una aplicación ISS, donde la batería rara vez recibe una carga completa, se cree que el peligro de formar cortocircuitos de hidratación es significativamente mayor que en una batería SLI típica. Los siguientes son algunos de los cambios significativos en el separador novedoso que pueden ayudar a reducir la aparición de cortocircuitos de hidratación:

a. Efecto de los iones comunes: es bien conocido que la incorporación de sulfato de sodio al electrolito de la batería impedirá la formación de cortocircuitos de hidratación a través del efecto de los iones comunes. En las variantes presentes, el sulfato de sodio se incorpora a la matriz del separador y/o los materiales laminados (tales como por impregnación), lo que permite que el sulfato de sodio esté en la ubicación adecuada para reducir de manera más eficaz la posibilidad de formación de cortocircuitos de hidratación.

b. Secuestro de metales pesados: al adsorber y secuestrar irreversiblemente los iones de plomo que están en solución, se pueden incorporar determinados aditivos en el separador (o en la superficie del separador, en el material laminado, en el electrolito, en la carcasa de la batería y/o similares) para impedir la formación de cortocircuitos de hidratación. Algunos ejemplos de materiales que se pueden usar para esto incluyen la apatita, los minerales de hidroxiapatita, la harina de pescado molido, las zeolitas, las ligninas, el látex y los derivados del caucho.

c. Ubicación de los aditivos - Cabe destacar que los aditivos asociados con el efecto de los iones comunes o el secuestro de metales pesados pueden añadirse directamente a la matriz del separador (preferiblemente como relleno de sustitución para parte de la sílice), recubrirse en el separador, recubrirse o contenerse en la estructura laminada, recubrirse sobre el contenedor de la carcasa de la batería ya sea antes o después del proceso de moldeo por inyección, colocarse en bolsas o sobres porosos en la estructura electrolítica o laminada y/o similares.

d. Bajar o reducir el desplazamiento del ácido: si el separador es capaz de desplazar menos ácido, la cantidad total de iones de sulfato en la solución ácida será mayor, lo que provocará un retardo del efecto de hidratación. En otras palabras, esto sería un tampón adicional contra la descarga excesiva de la batería. Para conseguirlo, las posibles modificaciones preferidas del separador pueden incluir:

i. Banda posterior delgada: menor grosor de la banda posterior (BW) con nervaduras cruzadas adicionales (preferiblemente nervaduras cruzadas negativas como se analiza anteriormente), mayor porosidad y/o menor masa de nervaduras del separador.

ii. Nervaduras dentadas/almenadas: se puede usar un diseño de nervaduras dentadas o almenadas para eliminar la masa de las nervaduras. Este concepto se detalla en la patente estadounidense 7.094.498. Al modificar el diseño de las nervaduras de esta manera, el separador tendrá menos desplazamiento del ácido.

3) Mejorar la duración de la vida útil por ciclo: para cumplir con las expectativas de los fabricantes de baterías y vehículos, se debe mejorar la duración de la vida útil por ciclo de una batería de ácido de plomo típica, particularmente cuando la batería está sometida a altas temperaturas y unos ciclos de trabajo intensos. Una escuela de pensamiento es reducir el estado de carga de la batería para reducir la cantidad de sobrecarga y la posterior corrosión de la placa positiva. Sin embargo, si se sigue esta vía, la posibilidad de tener cortocircuitos de hidratación aumenta drásticamente. Al modificar el separador, estos problemas potenciales se pueden eliminar. Algunas de las posibles modificaciones preferidas se detallan a continuación.

a. Estructura laminada: en muchas baterías de ácido de plomo de ciclo profundo, los laminados se utilizan para retener la masa activa positiva en la rejilla positiva. Esta estructura finalmente se incorporó en la placa positiva como consecuencia de la expansión natural de la masa activa positiva durante los ciclos de trabajo. De este modo, la masa activa positiva puede mantener un contacto íntimo y, por lo tanto, la capacidad durante un periodo de tiempo significativamente más largo de lo que sería posible de otro modo. Se prevé que los separadores para aplicaciones ISS inundadas incorporarán un laminado, ya que el ciclo de trabajo y el entorno previstos serán duros.

i. Malla de vidrio: en muchas baterías de ácido de plomo inundadas, se utilizan mallas de vidrio para ayudar a mantener un contacto íntimo entre el material activo positivo y la rejilla positiva. Una posible variante preferida actual prevista para la ISS seguirá utilizando mallas de fibra de vidrio, aunque con la posibilidad de mezclar diferentes longitudes y anchuras de fibra en las mallas con un grosor comprimido de 0,1 mm a 1,0 mm. Preferiblemente, un separador nuevo o mejorado para aplicaciones ISS inundadas incorporará este laminado.

ii. No tejidos sintéticos: las mallas no tejidas de polímero también se han utilizado recientemente como retenedores de material activo en baterías de ácido de plomo. Estos materiales suelen estar hechos de poliéster. (Consulte la solicitud de patente publicada de Polymat, US 2006/0141350 A1). Preferiblemente, un separador nuevo o mejorado para aplicaciones ISS inundadas incorporará este laminado.

iii. Híbrido: se cree que los híbridos de vidrio mezclados con polímeros pueden incorporarse en una malla híbrida, que tendrá la rigidez y la resistencia a la oxidación intrínseca al vidrio con la resistencia al desgarro y la tenacidad de los no tejidos. Combinando las propiedades de ambos materiales, se puede producir una malla con propiedades superiores para la batería. Preferiblemente, un separador nuevo o mejorado para aplicaciones ISS inundadas incorporará este laminado.

b. Selección del perfil: la selección de un perfil o diseño de nervaduras a menudo no se considera que aporte beneficios a una batería de ácido de plomo inundada típica. Sin embargo, en aplicaciones ISS, se cree que el diseño del perfil puede tener un impacto mucho mayor en el rendimiento de la batería. El diseño del perfil puede contribuir al objetivo de tener un menor desplazamiento del ácido. Por el contrario, dentro de la industria se ha establecido que un espaciado más estrecho de las nervaduras es favorable para las aplicaciones de ciclo profundo. Puede ser necesario un compromiso único entre los dos. Por ejemplo, un perfil nuevo o mejorado que tiene un espaciado entre las nervaduras ajustado con una altura de nervadura más corta, nervaduras más estrechas, nervaduras almenadas o similares.

c. Ácido poliaspártico: el ácido poliaspártico retarda la formación de cristales. Según la presente invención, el ácido poliaspártico se puede añadir directamente a la matriz del separador (se prefiere este planteamiento monolítico), recubrirse en el separador, recubrirse o contenerse en la estructura laminada, recubrirse sobre el contenedor de la carcasa de la batería ya sea antes o después del proceso de moldeo por inyección, colocarse en bolsas o sobres porosos en la estructura electrolítica o laminada y/o similares.

d. Compresión: una estructura de nervaduras comprimible, flexible y/o resistente puede mejorar la vida útil del ciclo. Por ejemplo, un perfil de nervadura de viga en I puede proporcionar la compresión deseada.

4) Estratificación del ácido: en una variedad de baterías de ácido de plomo inundadas, la estratificación del ácido en el electrolito ha sido un problema en aplicaciones con requisitos de ciclos intensos y pocas recargas completas. Cuando una batería realiza ciclos repetidamente, pero no está completamente cargada o sobrecargada, el ácido de la batería puede separarse hasta el punto en que habrá agua en la parte superior de la batería y ácido sulfúrico concentrado en la parte inferior.

Típicamente, los fabricantes de baterías especificarán que una batería debe sobrecargarse hasta cierto punto, lo que promueve la electrólisis del agua. El hidrógeno y el oxígeno producidos durante esta sobrecarga agitarán el electrolito, mezclando el agua y el ácido. Como se menciona anteriormente, en las aplicaciones ISS, las baterías se mantendrán en condiciones de PSoC con pocas oportunidades de sobrecarga para mezclar el ácido. Por lo tanto, cualquier beneficio potencial para la mezcla de ácidos o el retardo de la estratificación del ácido desde el separador puede ser fundamental.

a. Selección del perfil: como se menciona anteriormente, la selección de perfil puede ser un atributo crítico para varias propiedades. Otro beneficio puede proceder de la incorporación de nervaduras horizontales a lo largo de la superficie del separador que actúan como una barrera física para la estratificación del ácido. Se cree que estas nervaduras cruzadas podrían tomar una amplia gama de formas (referencia a la solicitud de patente de nervaduras cruzadas negativas y a la patente de nervaduras cruzadas positivas mencionadas anteriormente).

b. Estructura laminada: la estructura laminada adherida al separador de polietileno también puede servir para desincentivar la estratificación del ácido. Al alinear las fibras en un patrón determinado a lo largo ya través del material, se prevé que la malla de vidrio pueda ayudar a evitar que el ácido se estratifique. Además, añadir la estructura laminada tanto en la cara positiva como en la negativa del separador de polietileno también puede servir para reducir la estratificación del ácido.

c. Área de la superficie: también se puede minimizar la estratificación del ácido aumentando el área de la superficie de la estructura del separador. Esto se puede lograr, primero, disminuyendo el diámetro de la fibra de la estructura laminada o, segundo, aumentando la superficie interna del separador según el tipo o la concentración de sílice, añadiendo porosidad, teniendo nervaduras cruzadas y/o similares.

d. Inmovilización del ácido: también se puede minimizar la estratificación del ácido inmovilizando el ácido. Esto se puede lograr, por ejemplo, con nervaduras cruzadas que tiendan a mantener el ácido en su lugar (véase la Figura 26), añadiendo una capa de sílice sobre el laminado y/o la superficie del separador o añadiendo sílice en el laminado para "gelificar" el ácido e inmovilizarlo, utilizando la tecnología AJS de Daramic, o similares.

5) VRLA: también se reconoce que las baterías de ácido de plomo reguladas por válvula (VRLA) pueden desempeñar un papel en el mercado de las aplicaciones ISS para automóviles. En este tipo de construcción, el electrolito es absorbido y retenido en la matriz del separador. Las tecnologías predominantes para esto utilizan un separador de malla de vidrio absorbente (AGM) o la gelificación del electrolito, típicamente con sílice como agente aglutinante. A continuación, se revisan con cierto detalle algunos planteamientos novedosos de la tecnología VRLA.

a. Separador gelificante de ácido: el separador de ácido gelificante (AJS) es un concepto que se ha utilizado en el pasado. Al modificar el separador para incorporar la sílice con un área de la superficie alta con una carga alta de dicha sílice en el separador de polietileno, se ha producido un producto nuevo o mejorado que permite que el separador absorba suficiente ácido para convertirlo en un separador viable para un diseño VRLA. Este nuevo separador AJS de Daramic puede permitir que un fabricante utilice equipos y técnicas de construcción de baterías inundadas estándar para producir un producto VRLA. El separador AJS de Daramic tendrá un comportamiento superior en la mejora de los ciclos, ya que está en íntimo contacto con la placa positiva, lo que evita el desprendimiento de la materia activa. También evitará problemas de estratificación del ácido, ya que la matriz de polímero junto con la sílice impedirá el flujo y la separación del electrolito.

b. Híbrido de malla de vidrio absorbente/polietileno: uno de los factores limitantes clave para reducir el espaciado entre las placas en baterías con separadores AGM es la capacidad de la AGM para resistir frente a los defectos de las placas y evitar que se produzcan cortocircuitos. Típicamente, estos cortocircuitos no aparecen hasta que la batería ha pasado por el proceso completo de ensamblaje y carga, lo que aumenta el alto coste de este tipo de producto. Al incorporar una membrana del separador de PE plana dentro o en un lado del separador AGM, el espaciado entre placas en la batería puede reducirse sin aumentar los fallos de la primera vida útil. El separador de PE actuará como escudo, lo cual reduce la posibilidad de que defectos menores en la placa provoquen un cortocircuito.

c. Otros híbridos laminados: se cree que se podrían utilizar otros sistemas laminados, ya sean no tejidos u otras mallas de vidrio, junto con una membrana del separador de PE plana para fabricar un separador VRLA aceptable.

Es posible que se requiera la batería de almacenamiento de ácido de plomo no solo para suministrar potencia como fuente de alimentación principal para automóviles eléctricos, sino también para proporcionar una nueva función como fuente de alimentación para el arranque y la recuperación de corriente regenerativa para automóviles eléctricos híbridos, automóviles híbridos simplificados y automóviles compatibles con ISS que tienen la función de parada y arranque en ralentí (ISS).

Para mantener e incluso mejorar la capacidad de funcionamiento del separador, proponemos aumentar la rigidez a la flexión del separador con nervaduras transversales con un espaciado muy ajustado en el lado del separador que mira hacia el electrodo negativo. (Véase las Figuras 5 y 26) Múltiples pruebas en envolturas comerciales con separadores Daramic Duralife® que incluyen las nervaduras cruzadas negativas han demostrado mejoras sustanciales en los resultados de procesamiento cuando se comparan los separadores con la superficie plana estándar. (Véase la Figura 25) El aumento de la rigidez a la flexión da como resultado un mejor procesamiento de la envoltura y a continuación consideramos separadores con un grosor de la banda base o de la banda posterior (BW) más delgado, de modo que podemos prever disminuciones adicionales en la resistencia eléctrica del separador hasta de un 25%.

Al disminuir el grosor del separador, vemos un doble beneficio en el rendimiento de la batería. En primer lugar, con un 25% menos de resistencia eléctrica del separador; el resultado será un mejor suministro de potencia y aceptación de carga de la batería. Segundo, con menos volumen ocupado por el separador, habrá más ácido entre los electrodos.

Como muchas baterías están diseñadas para carecer de electrolitos, la sustitución de la masa del separador con ácido solo puede generar beneficios en términos de capacidad de almacenamiento eléctrico de la batería.

Existen otras consideraciones para reducir la resistencia eléctrica del separador y aumentar la cantidad de ácido entre los electrodos. Actualmente, el separador típico de PE tiene una porosidad del 60%, o dicho de otro modo, el 40% del volumen del separador está ocupado por la masa. Si reducimos la masa del separador a la mitad, digamos al 20%, la resistencia eléctrica se reducirá en una proporción similar y dará como resultado una porosidad del separador del 80%. Para confirmar nuestras suposiciones, hemos producido separadores experimentales con porosidad variable y hemos medido la resistencia eléctrica resultante. (Véase la Figura 7)

Al utilizar un tipo especial de sílice (área de la superficie alta), el separador de PE puede fabricarse con una porosidad muy alta y dar como resultado una resistencia eléctrica más baja. El separador preferido con la resistencia eléctrica final más baja puede construirse uniendo la nervadura cruzada negativa con el grosor delgado de la BW y una porosidad muy alta (sílice nueva).

Hay otro procedimiento que creemos que reducirá la resistencia eléctrica funcional del separador y, por lo tanto, mejorará el rendimiento de la batería. Usamos deliberadamente el término resistencia eléctrica “funcional” y queremos compararlo con la resistencia eléctrica “medida” del separador. (Véase las Figuras 8 y 10) Actualmente, la resistencia eléctrica del separador a menudo se cuantifica con un dispositivo en el que se aplica tensión a través de una celda química con un solo par de electrodos. La resistencia se mide con y sin el separador entre los electrodos cuantificando así la resistencia eléctrica del separador. Aunque este procedimiento es valioso para predecir la influencia del separador en el rendimiento de la batería, creemos que falta un elemento importante, concretamente, el atrapamiento de gas.

Durante la formación o un evento de carga, una vez que los electrodos están cargados, se produce oxígeno e hidrógeno en los electrodos positivo y negativo respectivamente. A medida que el electrolito se satura rápidamente con estos gases, se producen burbujas. A medida que se forman estas burbujas en el electrolito se fusionarán y finalmente subirán a la superficie del electrolito de manera similar al dióxido de carbono en un vaso de cerveza recién servido. Sin embargo, el proceso de evacuación de gases es relativamente lento y el impacto sobre el rendimiento de la batería es profundo. Al igual que en el vaso de cerveza, estas pequeñas burbujas se adhieren a diversas superficies, incluida la del separador. Donde se unen las burbujas hay una falta de electrolito y estas regiones se convierten en áreas de alta resistencia. Por lo tanto, la resistencia eléctrica “funcional” del separador puede describirse como la resistencia eléctrica medida y teniendo en cuenta la proporción del área de la superficie que está cegada por estas burbujas de gas.

Para medir el gas atrapado, se prepararon celdas con separadores estándar y modificados. (Véase la Figura 9) Después de la formación y la sobrecarga, se registró el nivel de electrolito para cada celda, se hizo un vacío para evacuar los gases; la diferencia de nivel es lo que definimos como el gas atrapado. Para establecer un punto de partida, las celdas se probaron sin separadores; en su lugar, se utilizaron varillas de vidrio para mantener el espaciado entre los electrodos. A partir de este trabajo podemos obtener información sobre la cantidad de gas atrapado asociado con los electrodos. Como se puede observar en la Tabla 5 a continuación, el hecho de añadir separadores estándar duplica con creces la cantidad de gas atrapado en comparación con las celdas sin separadores. Con el separador modificado, concretamente, Daramic Duralife® con nervaduras cruzadas negativas, podemos reducir el atrapamiento de gas asociado con el separador estándar en aproximadamente un 50%.

Tabla 5

Anteriormente, propusimos procedimientos para reducir la resistencia eléctrica del separador mediante la incorporación de nervaduras cruzadas negativas para mejorar la capacidad de funcionamiento de la envoltura, lo que abre la puerta a procesar materiales del separador con un grosor de banda posterior más delgados que los que se encuentran actualmente disponibles. Inicialmente, a uno le podría preocupar que las nervaduras cruzadas negativas aumenten en realidad el atrapamiento de gas. Es importante observar aquí que la nervadura cruzada negativa fue uno de los cambios incluidos con el separador Daramic Duralife® que tenía menos gas atrapado que el separador estándar. Hemos teorizado que el patrón de nervaduras cruzadas negativas puede servir como un medio para la coalescencia de las pequeñas burbujas de gas en burbujas más grandes, de modo que las fuerzas de flotación sean mayores que las fuerzas de adhesión a la superficie y permitan que los gases escapen más rápido que cuando se utilizan separadores estándar.

Hasta el momento, hemos demostrado procedimientos para reducir la resistencia eléctrica entre un 25 y un 50% en comparación con los separadores estándar con dos acciones independientes. A través de nuestras pruebas, también hemos encontrado procedimientos para reducir la cantidad de gas atrapado en la superficie del separador en más del 40%, lo que debería producir una reducción equivalente en la resistencia eléctrica funcional del separador. Al combinar todos estos cambios, se podría esperar que la resistencia funcional disminuya entre un 50 y un 25% del valor típico del separador. Esto puede mejorar el suministro de potencia y la aceptación de carga en baterías microhíbridas, baterías ISS, etc.

Propusimos que la batería microhíbrida fuera un cruce entre una batería de automóvil de alta potencia y una batería de ciclo profundo de alta energía. Entonces, dediquemos unos minutos a considerar las mejoras en el aspecto del ciclo profundo necesario para la aplicación. Cuando una batería de ácido de plomo se somete a ciclos frecuentes o profundos, el material activo positivo se desprenderá, el material activo negativo se sulfatará, los salientes negativos se pueden rebajar, es probable que el ácido se estratifique, especialmente cuando se utiliza en un estado de carga parcial y, finalmente, es posible que se desarrollen cortocircuitos de hidratación a través del separador. Se están explorando muchas opciones de diseño para abordar estas situaciones, pero revisemos las asociadas con los separadores. Si podemos mantener el material activo en su lugar por más tiempo, entonces podemos prolongar la vida funcional de la batería. Para evitar el desprendimiento del material activo, existen dos opciones: Primero, se puede aumentar el número de nervaduras en el separador, proporcionando así más puntos de contacto para mantener el material activo positivo en su lugar; y, en segundo lugar, se añade un laminado, tal como una malla de vidrio, al separador.

El laminado proporciona un soporte positivo para evitar el desprendimiento de material activo positivo. Sin embargo, estos laminados deben seleccionarse cuidadosamente para no aumentar el atrapamiento de gas, lo que aumentará la resistencia eléctrica funcional y reducirá el suministro de potencia y la aceptación de carga de la batería. Utilizando el procedimiento descrito previamente, llevamos a cabo pruebas de atrapamiento de gas en separadores con diversos laminados. A partir del trabajo de laboratorio, primero determinamos la cantidad de gas atrapado asociado con las placas y el separador de modo que podamos observar la influencia de diversos laminados. A partir de las pruebas, podemos observar una gran diferencia entre diversos laminados con respecto al nivel de atrapamiento de gas. Por lo tanto, para mantener una buena aceptación de carga y suministro de potencia, al mismo tiempo que se mantiene una buena protección contra el desprendimiento de material activo positivo, creemos que es necesario seleccionar el laminado correcto. (Véase las Figuras 12 y 13)

Hay otro punto de sinergia entre los ciclos y el buen rendimiento eléctrico. En nuestro trabajo anterior, identificamos procedimientos para aumentar el electrolito entre los electrodos. Esto se logró reduciendo el grosor de la banda posterior del separador, aumentando la porosidad del separador y disminuyendo la cantidad de gas atrapado en el separador. En general, creemos que estas medidas también evitarán los cortocircuitos de hidratación, la aparición de la estratificación del ácido y la sulfatación del electrodo negativo. Por lo tanto, creemos que más ácido entre las placas mejorará la aceptación de carga, el suministro de potencia y prolongará la vida funcional de la batería utilizada en una aplicación microhíbrida.

Con ese fin, hemos presentado conceptos del separador que producen mejoras en la batería. Para mejorar la potencia de salida y la aceptación de carga de la batería, procedimientos para reducir la resistencia eléctrica del separador que incluyen 1) implementación de nervadura cruzada negativa, con el separador Duralife®, que permite envolver separadores delgados y 2) procedimientos para aumentar sustancialmente la porosidad del separador y disminuir drásticamente la resistencia eléctrica. Las modificaciones mencionadas anteriormente también servirán para aumentar el ácido disponible entre las placas y así aumentar la capacidad eléctrica de la batería cuando el electrolito sea limitado. Para aumentar también la cantidad de ácido entre las placas, propusimos procedimientos para fomentar la coalescencia y la evacuación del gas, lo que dará lugar a un mejor rendimiento eléctrico.

Para ampliar el rendimiento funcional de la batería de ácido de plomo, especialmente en aplicaciones de ciclo profundo, propusimos aumentar el número de nervaduras para proporcionar más puntos de contacto con el material activo positivo que es más probable que se desprenda durante los ciclos intensos.

Otro procedimiento para evitar el desprendimiento del material activo es añadir un laminado al separador. Sin embargo, este laminado debe seleccionarse cuidadosamente para minimizar la cantidad de gas atrapado y, por lo tanto, producir el máximo suministro de potencia y aceptación de carga de la batería. Hay más que decir sobre la extensión del ciclo de vida al minimizar la aparición de la estratificación del ácido o prevenir los cortocircuitos de hidratación a través del separador. (Véase la Figura 14).

Creemos que estos nuevos conceptos desarrollados para la aplicación microhíbrida se pueden aplicar inmediatamente a los productos existentes que atienden las necesidades actuales del mercado. Por ejemplo, la capacidad de funcionamiento mejorada de la envoltura será un beneficio bien recibido para el fabricante de baterías que busca mejorar aún más la eficacia de la planta. Las modificaciones del separador que reducen la cantidad de gas atrapado y, por lo tanto, mejoran la potencia y la funcionalidad eléctrica pueden ser beneficiosas para un fabricante de baterías que lucha por hacer clasificaciones de una batería existente.

La presente invención es muy adecuada para material microporoso (p. ej., poros de menos de 1 micra).

La presente invención no se limita a separadores para baterías de ácido de plomo inundadas ISS, tales como separadores de poliolefina, preferiblemente separadores de polietileno relleno, sino que también se aplica a separadores para condensadores, acumuladores, baterías de gel, baterías de polímero, baterías de carbón, combinaciones de batería/condensador, celdas electroquímicas, membranas porosas, películas porosas, laminados porosos, membranas recubiertas y combinaciones de los mismos.

Donde la tecnología de separadores actual ha abordado una o dos propiedades clave en los separadores discretos, un separador de batería posiblemente preferido de la presente invención aborda y optimiza múltiples propiedades del separador simultáneamente. Se cree que, según al menos determinadas realizaciones, la presente invención es la primera en reconocer la necesidad de abordar múltiples propiedades del separador simultáneamente, la primera en elegir combinaciones particulares de propiedades de múltiples separadores y la primera en producir separadores de baterías de múltiples propiedades comercialmente viable, como se describe a continuación.

Para reducir el consumo de combustible y la generación de emisiones del tubo de escape, los fabricantes de automóviles han implementado grados variables de hibridación eléctrica. Una forma de vehículo eléctrico híbrido (HEV) a menudo se denomina “micro HEV” o “microhíbrido”. En dicho micro HEV o conceptos, el automóvil tiene la función de parada y arranque en ralentí (ISS) y, a menudo, frenado regenerativo. Para mantener los costes bajos, muchos fabricantes de automóviles consideran una batería de ácido de plomo inundada o mejorada (EFB) para cumplir con la funcionalidad eléctrica asociada con la función ISS. Dado que la funcionalidad asociada con esta batería a menudo es diferente a la de una aplicación automotriz estándar, tal como una batería de arranque, alumbrado e ignición (SLI), esto puede resultar en diferentes funciones o rendimiento preferido del separador de batería ISS o microhíbrida.

Aunque una realización posiblemente preferida puede ser una batería de ácido de plomo inundada o ventilada, se entiende que la batería puede ser una batería de ácido de plomo inundada mejorada (EFB), una batería de ácido de plomo regulada por válvula (VRLA), una batería recargable de ácido de plomo de bajo mantenimiento, una batería de malla de vidrio absorbente (AGM), una batería VRLA AGM, una batería de gel (celda de gel), una batería de gel VRLA, una batería de ácido de plomo sellada, una batería de diseño "privada de ácido", una batería "recombinante" (el oxígeno evolucionado en la placa positiva se recombinará en gran medida con el hidrógeno listo para evolucionar en la placa negativa para crear agua), una batería de polímero, de carbono-ácido de plomo u otra batería, un condensador, un supercondensador, un acumulador, una combinación de batería/condensador y/o similares.

Además, el separador mejorado de la presente invención puede encontrar una aplicabilidad especial en baterías ISS, sistemas ISS, vehículos ISS, o se puede usar en otras baterías o dispositivos.

La llegada de micro HEV e ISS con o sin frenado regenerativo establece nuevas demandas en la batería y el separador de baterías. Estas nuevas demandas pueden abordarse o satisfacerse mediante al menos determinadas realizaciones de los separadores, baterías, sistemas o procedimientos de la presente invención.

La batería de ácido de plomo inundada ISS funcionará en un estado de carga parcial (PSoC), aproximadamente del 50 al 80%, a diferencia de la batería SLI típica, que normalmente funciona con un estado de carga del 100%. Con el frenado regenerativo y el rearranque frecuente, la batería experimentará ciclos de carga y recarga poco profundos. En función del diseño del sistema eléctrico, es posible que la batería ISS normalmente no se sobrecargue y, por lo tanto, genere oxígeno y gas hidrógeno que puede ser útil para la mezcla de ácidos.

Las baterías de ácido de plomo continúan creciendo y expandiéndose a nuevas aplicaciones. Una categoría de aplicación en crecimiento se denomina como de ciclo profundo, en la que la batería se descarga con frecuencia y profundidad. Los ejemplos de dichas aplicaciones incluyen vehículos microhíbridos, por ejemplo, aquellos asociados con el arranque y parada en ralentí, reserva de potencia, energía renovable asociada con energía eólica o solar y tracción, como la que se utiliza para alimentar carretillas elevadoras eléctricas, carritos de golf o similares.

Dado que las baterías de ácido de plomo se utilizan en estas aplicaciones de ciclo profundo, se está trabajando mucho, especialmente en asociación con el uso en vehículos microhíbridos para mejorar la adecuación para su uso. Con ese fin, los científicos están explorando diversas opciones para mejorar la conductividad y la utilización de la masa activa, evitar los efectos nocivos de la sulfatación, minimizar la corrosión de las rejillas y los salientes y evitar el desprendimiento de material activo, solo por mencionar algunas. (Véase la Figura 16) Aunque la batería de ácido de plomo se ha utilizado comercialmente durante más de 100 años, todavía se están logrando avances.

Según al menos determinadas realizaciones o aspectos de la presente invención, los separadores nuevos, mejorados, de alto rendimiento y/o de rendimiento complejo pueden tener un impacto positivo en la prolongación de la funcionalidad de la batería de ácido de plomo en estas aplicaciones de ciclo profundo. Al igual que con la industria de baterías más grande, gran parte del trabajo de investigación se ha centrado recientemente en el desarrollo de separadores para vehículos microhíbridos, pero creemos que muchos de estos avances también serán favorables para el mercado más amplio de ciclo profundo. Para proporcionar contexto, comenzamos con los logros históricos hechos en los diseños de separadores y terminamos con el trabajo reciente o el trabajo que está actualmente en curso.

Históricamente, y con referencia a la Figura 17, las baterías de ácido de plomo usaban un separador construido con tablillas de madera, caucho, PVC sinterizado y materiales de celulosa impregnados. Como separadores, estos materiales están en declive en todo el mundo por diversos motivos. Con referencia a las Figuras 18 y 19, nos centramos en algunas propiedades que se encuentran en los separadores más nuevos que en última instancia sustituyeron las tecnologías más antiguas: 1) Distribución del tamaño de poro, 2) Desplazamiento del ácido, 3) Resistencia a la oxidación y 4) Capacidad de soldadura. Para comprender la importancia del tamaño de poro del separador, primero debemos tener en cuenta que la partícula de plomo utilizada en el material activo tiene un diámetro promedio de 1 a 5 micras. Para impedir la migración de la partícula de plomo a través del separador y, por lo tanto, dificultar la formación de puntos de conductancia electrónica entre los electrodos, se ha pasado de los materiales del separador histórico a aquellos con poros submicrónicos, tal como el separador de PE. (Véase la Figura 18).

El siguiente punto planteado es el desplazamiento del ácido y con esto queremos dar a entender el volumen que ocupa el separador. Cuanto más volumen ocupa el separador, menos ácido disponible entre los electrodos. Menos volumen del separador y más ácido normalmente aumentan la capacidad de la batería y, a menudo, pueden aumentar el índice de descarga, especialmente cuando está limitado por el volumen de ácido en la batería. Los materiales separadores más nuevos ocupan menos volumen que sus predecesores y, por lo tanto, deben ser más resistentes a la oxidación para funcionar durante la vida útil prevista. En pocas palabras, los separadores que permiten más ácido entre las placas suelen tener un grosor de banda posterior más delgado y, por lo tanto, necesitan resistir mejor el ataque de la oxidación.

El último punto de interés histórico es la capacidad de formar un bolsillo o un manguito. A menudo, la vida útil de una batería de ácido de plomo puede acortarse debido a la formación de musgo o a los cortocircuitos laterales o inferiores. Por formación de musgo, queremos decir que el material activo se ha desprendido y ha formado un puente conductor alrededor del lado o la parte inferior del separador, incluso en el caso de que haya un sitio de barro presente. Los separadores que se pueden convertir en un bolsillo o un manguito pueden reducir o evitar en gran medida este tipo de fallos.

Hasta ahora, hemos estado hablando de la funcionalidad del separador en sus términos más básicos para separar los electrodos positivo y negativo mientras se permite el libre flujo de iones y electrolitos. Con referencia a la Figura 20, observamos una función más activa del separador y es la supresión de lo que a menudo se denomina envenenamiento por antimonio. Durante la vida útil de la batería, una porción del antimonio que se añade a la rejilla positiva se volverá soluble en el electrolito y luego migrará y se depositará en la superficie del electrodo negativo. El revestimiento de antimonio despolarizará el electrodo negativo y, por lo tanto, pondrá más carga de tensión en el electrodo positivo durante la carga. A medida que se carga la batería, el antimonio depositado en el electrodo negativo iniciará la hidrólisis del agua antes de que el sulfato de plomo se convierta nuevamente en plomo esponjoso. Por lo tanto, una parte de la corriente de carga no se almacena sino que se desperdicia en la producción de hidrógeno y oxígeno a partir del agua.

Para hacer frente a este problema del antimonio, los fabricantes de baterías han reducido la concentración de antimonio o lo han eliminado por completo. Sin embargo, en aplicaciones de ciclo profundo, existen muchos beneficios positivos que resultan de una aleación con antimonio. (Véase la Figura 21). A medida que la batería se descarga profundamente, el plomo se convierte en sulfato de plomo, que es aproximadamente un 40% más voluminoso y, como tal, provocará la expansión de la celda. Las aleaciones de antimonio aumentan la resistencia de la rejilla e impiden deformaciones dañinas y, en última instancia, pueden ayudar a convertir el sulfato de plomo nuevamente en plomo durante la carga. A continuación, se ha encontrado a través de la experiencia que las aleaciones de antimonio mejoran la interfaz entre el material activo y la rejilla. Con una interfaz mejorada, se puede esperar un uso más eficaz del material activo y una mejor aceptación de carga. El motivo más notable para el antimonio es disminuir o retardar la tasa de corrosión de la rejilla positiva. Sin abrir un análisis avanzado en la ciencia de la metalurgia, la aleación de antimonio es un cambio de diseño típico para reducir la corrosión de la rejilla, especialmente en baterías que se descargan con frecuencia.

Según al menos realizaciones o aspectos seleccionados de la presente invención, los fabricantes de baterías pueden aprovechar los beneficios mencionados anteriormente asociados con el antimonio y, al seleccionar el separador adecuado, se pueden tratar los impactos perjudiciales. Los separadores adecuados o preferidos son separadores de PE modificados, nuevos, mejorados y/o de rendimiento complejo. Se han utilizado separadores de PE durante muchos años en aplicaciones de ciclo profundo como fuerza motriz, baterías inversoras, carritos de golf y energía renovable e incluso en aplicaciones SLI con especificaciones de OEM rigurosas respecto a una baja pérdida de agua. Por lo tanto, cuando se utilizan aleaciones de antimonio, es importante seleccionar el separador adecuado para aprovechar al máximo los beneficios y aminorar los efectos nocivos asociados.

Como se indica anteriormente, muchos de los científicos asociados con la industria de las baterías de ácido de plomo se han centrado recientemente en satisfacer las demandas asociadas con los vehículos ISS o microhíbridos. Con referencia a la Figura 22, las demandas de la aplicación ISS o microhíbrida son un cruce entre los requisitos de alta potencia asociados con la batería SLI y las demandas de ciclo profundo de las aplicaciones de fuerza motriz.

Comenzamos observando las modificaciones en el separador que pueden generar más potencia en la batería. Se puede obtener más potencia de la batería a medida que se reduce la resistencia interna. Al proporcionar más ácido entre los electrodos, se puede resolver la limitación asociada con la difusión y también producir más potencia. La resistencia del separador a menudo se caracteriza fuera de la batería en un dispositivo de laboratorio. Aunque el valor derivado de un dispositivo de este tipo en general es útil, creemos que falta un elemento importante, concretamente, el atrapamiento de gas. (Véase la Figura 23) En una batería de ácido de plomo inundada, se genera gas en diversos grados en función de la corriente de carga. Este gas finalmente escapará de la batería, pero por un tiempo se adherirá a las superficies del electrodo y del separador. Donde se adhiere el gas, esto es a efectos prácticos una zona muerta para la conductancia iónica. Hemos encontrado procedimientos para reducir eficazmente la cantidad de gas adherido al separador en aproximadamente un 40%. Al reducir el gas asociado con el separador preferiblemente en un 40% o más, una mejora significativa en la resistencia iónica funcional asociada con el separador puede mejorar el rendimiento de la potencia de la batería.

Otro procedimiento para mejorar la potencia de la batería es aumentar la cantidad de ácido entre los electrodos. (Véase la Figura 24). Según al menos una realización o aspecto de la presente invención, esto se realiza preferentemente por medio de modificaciones progresivas en el separador. En primer lugar, es necesario mejorar la resistencia a la oxidación del separador para que la masa del separador pueda reducirse sin comprometer la funcionalidad principal, que es evitar el cortocircuito electrónico de los electrodos. Con la masa reducida, el separador aún debe tener las propiedades mecánicas adecuadas que le permitan ensamblarse en una batería. Dos de estas propiedades son la resistencia a la perforación y la rigidez a la flexión. Una vez que se tiene cuidado de mejorar la resistencia a la oxidación mientras se mantienen los niveles adecuados de rigidez y resistencia a la perforación, la masa del separador se puede reducir para aumentar el volumen de electrolito entre los electrodos. Con más ácido disponible entre los electrodos, es menos probable que la batería encuentre limitaciones asociadas con la difusión del ácido y, por lo tanto, mejore la potencia de salida. La tabla de la Figura 24 muestra una comparación entre los separadores estándar seleccionados Daramic® HP y Duralife®, ofrecidos actualmente por Daramic, LLC de Charlotte, Carolina del Norte, para aplicaciones de baterías microhíbridas.

Al comparar los dos separadores, podemos ver que el separador Duralife® demuestra un aumento sustancial en la resistencia a la oxidación, mientras mantiene la alta resistencia a la perforación que se encuentra en Daramic® HP y esto se logró con aproximadamente un 15% menos de masa. Menos masa del separador, también significa menos ácido desplazado por el separador Duralife® y, por lo tanto, más ácido entre las placas. Los fabricantes que se centran en aplicaciones microhíbridas están descubriendo que las baterías construidas con separadores Daramic® Duralife® tienen una menor resistencia de la batería y una mayor potencia de salida durante la descarga rápida en comparación con los separadores de PE estándar.

Otro desafío importante asociado con la aplicación microhíbrida es la capacidad de prolongar el ciclo de vida de la batería. Las baterías en esta aplicación a menudo funcionan en un estado de carga parcial, se descargan en diversos grados en función de la duración del tiempo que el vehículo está detenido y la cantidad de carga eléctrica durante dicha parada sin recargarse completamente entre descargas.

Además de proporcionar una inyección rápida de potencia para volver a arrancar el motor después de diversas paradas, la batería también puede experimentar decenas de miles de ciclos poco profundos durante la vida útil prevista de la batería. A medida que estas baterías se someten a ciclos, existe la posibilidad de que se desarrolle un gradiente ácido. (Véase la Figura 25) Con el ácido concentrado en el fondo de la celda, las reacciones electroquímicas estarán más limitadas en la parte superior del electrodo y esto conducirá a una pérdida de capacidad prematura. En aplicaciones de ciclo profundo, una sobrecarga suficiente creará burbujas de gas que ayudarán a mezclar el ácido y evitarán la estratificación del ácido. Sin embargo, en aplicaciones donde la batería rara vez se carga completamente, como la ISS, se deben aplicar otros medios para evitar la estratificación del ácido.

A fin de emplear otros medios para evitar la estratificación del ácido, es importante comprender primero el mecanismo por el cual se crea. A medida que se aplica corriente eléctrica a una batería en un estado de carga parcial, se convierte el sulfato de plomo y se forma inicialmente una alta concentración de ácido sulfúrico en la superficie de la placa. En este instante, se formará una capa límite de ácido sulfúrico contigua a la superficie de la placa. Como esta capa de ácido está más concentrada que el ácido en masa, habrá una fuerza motriz que hará que se difunda o se mezcle con el ácido de menor concentración en el espacio en masa. Además de las fuerzas de difusión, las fuerzas de gravedad también estarán activas en esta capa límite. Desafortunadamente, el ácido sulfúrico altamente concentrado puede ser de un 10 a un 20% más pesado que el ácido en masa y esta capa límite actuará como una columna más densa y hará que el ácido se concentre en el fondo de la celda. Esta tendencia hacia la estratificación del ácido se observa especialmente en baterías inundadas que funcionan en un estado de carga parcial donde el separador no inmoviliza el ácido. Al cargar una batería VRLA, el ácido concentrado producido en la superficie del electrodo entra inmediatamente en contacto con las fibras de vidrio que llenan todo el espacio entre los electrodos y la acción capilar de las fibras de intersección proporciona una fuerza contraria a la gravedad, lo que disminuye la tendencia del ácido a estratificar.

Con la introducción del separador Duralife®, hay cambios de diseño que creemos que ayudan a minimizar la estratificación del ácido en una batería de ácido de plomo inundada y, de hecho, las pruebas de la batería confirman los resultados positivos. En primer lugar, el separador Duralife® ocupa aproximadamente un 15% menos de volumen que los separadores tradicionales. Por lo tanto, habrá más ácido disponible entre los electrodos, lo cual es importante para maximizar el rendimiento eléctrico. El siguiente parámetro de diseño a tener en cuenta es la configuración preferida de las nervaduras cruzadas negativas. (Véase la Figura 26). Típicamente, la superficie del separador que mira hacia el electrodo negativo es plana o tiene mininervaduras en la dirección vertical (o longitudinal). (Véase la Figura 25)

Con referencia nuevamente a la Figura 26, el diseño de nervaduras cruzadas negativas asociado con el separador Duralife® tiene una multitud de pequeñas mininervaduras en la dirección horizontal (o transversal). Se cree que el electrolito está inmovilizado hasta cierto punto, ya que existen una multitud de pequeñas mininervaduras en la dirección horizontal. (Véase la Figura 26). Estas nervaduras cruzadas negativas proporcionan una barrera mecánica diferente, pero con una función equivalente al separador AGM que impedirá que se desarrolle el gradiente ácido. Si lo desea, el diseño de nervadura cruzada negativa crea más de cientos de presas minitransversales para evitar que el ácido más pesado fluya hacia abajo.

Además de prevenir la estratificación del ácido, el diseño de la nervadura cruzada negativa también puede ayudar en otra área. En una descarga rápida, la velocidad de difusión del ácido en el electrodo negativo a menudo es un factor limitante cuando se requiere una potencia elevada. Por lo tanto, el diseño de nervadura cruzada negativa crea cientos de minipresas, lo que a su vez crea cientos de minipiscinas de ácido de manera uniforme en la superficie del electrodo. Hasta ahora, hemos abordado los posibles mecanismos para prevenir la estratificación del ácido y mejorar el suministro de potencia. Se ha descubierto que el separador Duralife® mejora el suministro de potencia y reduce la estratificación del ácido en pruebas de baterías microhíbridas. Con más pruebas, comprenderemos aún mejor los diversos mecanismos y, por lo tanto, mejoraremos aún más las contribuciones que el separador puede aportar en estas nuevas aplicaciones.

Otro aspecto para prolongar la vida útil de una batería de ciclo profundo es impedir el desprendimiento del material activo positivo. Con ese fin, los separadores a menudo se combinan con un laminado no tejido, tal como una malla de vidrio. (Véase la Figura 27). La estructura laminada típicamente se aplica a la superficie del separador que está en contacto directo con el electrodo positivo. Durante años, este ha sido un planteamiento comercial típico para prolongar la vida útil de las baterías de ciclo profundo. Sin embargo, la vieja estructura laminada reducía la potencia de salida de la batería. En las baterías microhíbridas, la aplicación requiere que mejoremos simultáneamente tanto la capacidad de funcionar en ciclos como la potencia de salida.

Por lo tanto, recientemente se ha emprendido un trabajo para optimizar las estructuras laminadas para aplicaciones microhíbridas. Primero, el laminado debe mantener las propiedades mecánicas para evitar el desprendimiento del material activo durante la vida prevista de la batería. Para cumplir con este requisito, el laminado debe construirse con una estructura de fibra y de materiales que sean resistentes al ataque de la oxidación. En segundo lugar, el laminado debe desplazar la menor cantidad de ácido posible y garantizar así la máxima disponibilidad de ácido. Desplazar la menor cantidad de ácido posible implica que el material tiene el peso base más bajo. A medida que disminuye el peso base, las propiedades mecánicas normalmente también disminuyen. Por lo tanto, el desafío era y es optimizar las propiedades simultáneamente. Los laminados de bajo peso base plantean otro desafío que es el punto de unión de los dos materiales (separador, laminado). Una técnica normal para combinar los materiales es aplicar adhesivo a la superficie de la nervadura del separador y el laminado, pero con laminados más delgados, el adhesivo a menudo se absorberá a la siguiente capa y creará problemas de procesamiento. Otro planteamiento de unión es soldar sónicamente la estructura laminada a la parte superior de la nervadura y eliminar así el adhesivo del sistema por completo. Este tipo de planteamiento solo puede ponerse en práctica cuando el laminado tiene una cantidad suficiente de fibras sintéticas en la malla.

Hay otro criterio del laminado que no es intrínsecamente obvio pero que puede limitar sustancialmente la conversión de energía de la batería, concretamente, el atrapamiento de gas. Cada vez que se sobrecarga una batería de ácido de plomo, se forman hidrógeno y oxígeno como consecuencia de la hidrólisis del agua. En una batería inundada, estos gases en última instancia escaparán. Sin embargo, durante un tiempo, estos gases se adherirán a las superficies de los electrodos, separador y especialmente a la estructura laminada que se incorpora para prolongar el ciclo de vida de la batería. A medida que el gas queda atrapado, el electrolito sale del espacio entre los electrodos, como lo demuestra el aumento de la altura del electrolito en la batería. Como los gases son un excelente aislante, las rutas de la conductancia iónica se reducen en gran medida. Por lo tanto, la optimización del laminado para minimizar el atrapamiento de gas es posiblemente fundamental para maximizar la potencia y la capacidad eléctrica de la batería de ácido de plomo, ya sea en aplicaciones de ciclo profundo o microhíbridas.

Con referencia a la Figura 28, es necesario recapitular. Durante los últimos 100 años, las baterías de ácido de plomo han avanzado principalmente de forma evolutiva a las diversas demandas de nuevas aplicaciones. Para cumplir con estas demandas, se han producido cambios en los materiales de construcción, incluidos los separadores. Durante este tiempo, los separadores han migrado hacia materiales sintéticos de construcción tal como el polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE). Estos materiales sintéticos han permitido que el separador sea microporoso para evitar cortocircuitos, mejorar la resistencia a la oxidación para prolongar la vida útil y con capacidad de poder envolverse para evitar cortocircuitos en los lados y en la parte inferior. Estos nuevos tipos de separadores de PE han ofrecido la posibilidad de incorporar otras funciones, tal como la incorporación de aditivos en el separador para evitar el envenenamiento por antimonio y disminuir la pérdida de agua asociada.

Estamos seguros de que se han necesitado y se necesitarán cambios en los materiales de construcción, incluido el separador, para cumplir con las nuevas oportunidades de mercado como las microhíbridas. (Véase la Figura 29) La aplicación microhíbrida necesita una alta potencia para arrancar los motores, según se encuentra en las baterías SLI tradicionales y los ciclos frecuentes que se encuentran en las baterías de descarga profunda. Para mejorar la potencia, hemos cambiado preferentemente el separador para aumentar el ácido disponible y reducir la resistencia eléctrica al minimizar el atrapamiento de gas del separador. Para prolongar la vida útil de la batería, preferentemente hemos inmovilizado el ácido y así evitamos la aparición de la estratificación del ácido. A continuación, añadimos laminados para mantener el material activo en su lugar. Estos cambios de diseño se centran preferiblemente en optimizar tres propiedades del laminado simultáneamente: peso base, propiedades mecánicas y atrapamiento de gas. No solo se han realizado y propuesto cambios de diseño, sino que también se han validado al menos algunos de los cambios del separador y del laminado para mejorar el rendimiento de las baterías microhíbridas inundadas.

Hacer frente a los desafíos asociados con la aplicación microhíbrida puede tener beneficios en otras aplicaciones actualmente atendidas por baterías de ácido de plomo. Por ejemplo, las modificaciones en el separador para minimizar la estratificación del ácido, reducir el atrapamiento de gas, maximizar la cantidad de ácido, reducir la resistencia eléctrica y prolongar el ciclo de vida pueden transferirse directamente a las aplicaciones de baterías actuales. Estos cambios evolutivos produjeron un separador revolucionario y, en asociación con la estructura de costes intrínsecamente favorable frente a las tecnologías de la competencia, hacen que la batería de ácido de plomo sea una excelente opción para los mercados de ISS y microhíbridos en desarrollo.

Según al menos realizaciones seleccionadas, el separador de rendimiento complejo, mejorado y/o nuevo preferido, tal como un separador de ciclo profundo o ISS o microhíbrido, tiene rasgos característicos que ayudan a minimizar la estratificación del ácido en una batería de ácido de plomo inundada, ocupa aproximadamente un 15% menos de volumen que los separadores tradicionales, tiene nervaduras cruzadas negativas, tiene una multitud de mininervaduras pequeñas en la dirección horizontal, tiene una barrera mecánica que dificultará que se desarrolle un gradiente de ácido, tiene cientos de minipresas para evitar que el ácido más pesado fluya hacia abajo, tiene cientos de minipresas que crean cientos de minipiscinas de ácido de manera uniforme en la superficie del electrodo, que mejoran el suministro de potencia y reducen la estratificación del ácido en baterías microhíbridas y/o similares.

Las Figuras 31 a 33 están dirigidas a separadores de tipo hoja o pieza. La Figura 31 es una representación en perspectiva esquemática de una batería de ácido de plomo de ejemplo, con partes separadas, que ilustra una colocación hacia afuera de un separador de hojas o piezas tal como el separador de hojas de PE automático Daramic® o el separador de hojas de PE industrial Daramic® de la Figura 33. Los separadores de hojas de PE Daramic® de la Figura 33 se muestran con un laminado de malla de vidrio opcional (véase las vistas desde un extremo ampliadas respectivas).

Como se ha mencionado anteriormente, un modo de fallo común dentro de la industria de las baterías de ácido de plomo es el fenómeno de los "cortocircuitos de hidratación''. Según al menos realizaciones seleccionadas, la presente invención está dirigida a separadores nuevos o mejorados que tienen capacidades de eliminación de metales pesados que abordan, retrasan, reducen o eliminan el fenómeno de los "cortocircuitos de hidratación".

Se ha identificado una variedad de minerales PIMS y se ha evaluado la afinidad por el plomo de algunos de ellos (véanse las Tablas I y II a continuación). Se ha demostrado que un mineral PIMS derivado de la espina de pescado (tal como la harina de pescado triturada en un laboratorio comercial) tiene la mayor afinidad por el ion plomo que las otras muestras evaluadas. El polvo de espina de pescado o harina de pescado se extruyó a través de una operación piloto en un formato típico de separador de batería de ácido de plomo en varias concentraciones de carga. Se evaluó la eficacia de la eliminación del plomo del separador resultante que incorpora PIMS; el separador demostró una reducción sustancial de la concentración de plomo en una solución ácida. Por ejemplo, se demostraron reducciones del % de Pb de aproximadamente el 17% al 100%. Es preferible que el polvo de espina de pescado se añada para sustituir el relleno de sílice a niveles de sustitución de aproximadamente el 1% al 20% de sílice, más preferiblemente de aproximadamente el 2% al 10% y lo más preferiblemente de aproximadamente el 2% al 5%. Según al menos otras realizaciones determinadas, se prefiere que el polvo de espina de pescado molido (harina de pescado molido) se añada para sustituir una porción del relleno de sílice a niveles de sustitución de aproximadamente el 1% al 50% o más de la sílice, más preferiblemente alrededor del 5% al 30%, y lo más preferiblemente alrededor del 10% al 20%.

Se cree que este es el primer uso comercial de un biomineral en un separador de batería, en una resina de polímero de poliolefina extruida y en una película o membrana de polímero poroso.

La reducción de plomo se logra mediante la incorporación de minerales PIMS en los separadores de baterías de ácido de plomo, preferiblemente incorporando minerales PIMS derivados de espinas de pescado.

La presente invención representa un nuevo sustrato de membrana microporosa con propiedades químicamente activas. Hay disponible una gama de diversos rellenos minerales químicamente activos o reactivos que se pueden utilizar en el proceso de extracción y extrusión del separador. Estos minerales están disponibles a bajo coste en la pureza deseada y, en el caso de la espina de pescado (o harina de pescado), son subproductos industriales disponibles en múltiples fuentes. Las ventajas incluyen el bajo coste de la materia prima, así como la necesidad identificada del fabricante de baterías de simplificar los procesos de producción existentes que involucran sulfato de sodio.

Los separadores son materiales microporosos (por ejemplo, porosos de menos de 1 micra).

Según al menos realizaciones seleccionadas, la batería puede ser una batería de ácido de plomo o plomo-calcio tal como una batería de ácido de plomo inundada o ventilada, una batería de ácido de plomo inundada mejorada (EFB), una batería de ácido de plomo regulada por válvula (VRLA), una batería de ácido de plomo recargable de bajo mantenimiento, una batería de malla de vidrio absorbente (AGM), una batería VRLA AGM, una batería de gel (celda de gel), una batería de gel VRLA, una batería de ácido de plomo sellada, una batería recombinante, una batería de polímero, una batería de carbono-ácido de plomo u otra batería, un condensador, un supercondensador, un acumulador, una combinación de batería/condensador y/o similares. La batería preferida es una batería de ácido de plomo ventilada o inundada.

Según al menos realizaciones seleccionadas, el separador de batería puede ser un separador de batería de ácido de plomo o plomo-calcio, tal como un separador flexible o rígido, un separador de bolsillo, sobre, lámina, pieza u hoja, un separador mono o multicapa, un separador de material compuesto o laminado, un separador para una batería de ácido de plomo inundada o ventilada, una batería de ácido de plomo inundada mejorada (EFB), una batería de ácido de plomo regulada por válvula (VRLA), una batería de ácido de plomo recargable de bajo mantenimiento, una malla de vidrio absorbente (AGM), una batería VRLA AGM, una batería de gel (celda de gel), una batería de gel VRLA, una batería sellada de ácido de plomo, una batería recombinante, una batería de polímero, batería de carbono-ácido de plomo u otra batería, un condensador, un supercondensador, un acumulador, una combinación de batería/condensador y/o similares. El separador de batería preferido es un separador de batería de ácido de plomo ventilado o inundado.

La hidroxiapatita es un mineral con capacidades demostradas de unión a metales pesados. La hidroxiapatita se puede producir sintéticamente y purificar como un material nanocristalino. La hidroxiapatita se encuentra dentro de la masa esquelética de muchas plantas y animales que existen de manera natural (así como un constituyente menor de minerales que existen de manera natural como la caolinita). Las fuentes más comunes de hidroxiapatita derivadas de animales son acuáticas (peces, crustáceos, moluscos) y terrestres de fuentes bovinas y porcinas. Las fuentes de hidroxiapatita derivadas de plantas más comunes se encuentran en el té, las algas marinas y diversas especies de corteza de árbol. Como con todos los productos naturales, se pueden esperar diversos grados de pureza y potencia. Como ejemplo, la harina de pescado está disponible comercialmente en una variedad de purezas según el nivel de digestión de los restos no óseos. Es decir, la harina de pescado puede contener altas cantidades de proteína de los componentes carnosos que quedan; esto puede denominarse harina de pescado "alta en nitrógeno". La harina de pescado que ha sido completamente procesada para digerir completamente la materia proteínica, dejando intacto el contenido del esqueleto, puede denominarse harina de pescado "alta en fósforo".

La mayoría de las fuentes de hidroxiapatita de origen animal y vegetal se suministran comercialmente como materiales granulares gruesos. Según al menos una realización, aspecto o ejemplo de la presente invención, con el fin de aprovechar eficazmente los materiales que contienen hidroxiapatita, es deseable realizar una operación de molienda (o trituración) para reducir el tamaño de partícula y aumentar el área de la superficie eficaz en un esfuerzo por promover una exposición óptima del metal pesado a la hidroxiapatita. La operación de molienda también promueve la facilidad de incorporación de partículas en la batería mediante, por ejemplo, extrusión de membrana, impregnación, revestimiento, laminación, moldeo, fabricación de bolsitas o combinaciones de estas tecnologías. Se prefiere, por ejemplo, lograr un tamaño de partícula D50 de entre 10 pm y 80 pm para lograr una condición óptima para la incorporación de harina de pescado molido en un separador de batería mediante la metodología de extrusión de tornillos gemelos. El rango de tamaño de partícula mencionado anteriormente también es deseable cuando se incorporan materiales de hidroxiapatita natural en estructuras separadoras de láminas no tejidas, procedimientos de impregnación, recubrimiento, moldeo y suministro de polvo en masa tipo bolsita.

Se prefiere combinar la fuente de hidroxiapatita (es decir, harina de pescado molida o molida) en la formulación de extrusión del separador (tal como una formulación de polímero/sílice/harina de pescado o una formulación de polímero/sílice/harina de pescado/aceite). Los separadores producidos de esta manera ofrecen los atributos de rendimiento electroquímico deseados de los separadores de baterías de ácido de plomo conocidos, pero sorprendentemente superan las capacidades de los separadores convencionales secuestrando activamente el plomo en solución. En condiciones de descarga profunda, el electrolito contiene un nivel elevado de plomo reducido que atraviesa la tortuosa matriz del separador y, según al menos realizaciones seleccionadas de la presente invención, el separador comprende hidroxiapatita inmovilizada por extrusión (harina de pescado) para secuestrar plomo elemental antes de la migración al electrodo negativo. Por lo tanto, las fuentes de hidroxiapatita se inmovilizan preferiblemente mediante la incorporación en el proceso de extrusión del separador para aprovechar la probabilidad de contacto del área de la superficie y la proximidad al electrodo que requiere protección.

Otro planteamiento para la incorporación de hidroxiapatita en el separador y/o la batería es la inclusión del mineral reactivo en una malla laminada que está contigua al separador y/o unida al separador con medios de fijación tales como soldadura, soldadura por puntos, soldadura ultrasónica, adhesivo, calor, calor y presión, u otros procesos conocidos. El laminado puede ser una malla de vidrio y la harina de pescado u otra fuente de hidroxiapatita se puede mezclar con un aglutinante utilizado durante la formación de la malla de vidrio, recubrir en la malla y/o impregnar en la malla. La harina de pescado u otra fuente de hidroxiapatita se puede coextruir con la resina durante el proceso de formación de fibras, lo que permite su inclusión en los no tejidos "cardados" del proceso en seco, así como en los procesos de aplicación en húmedo. De forma alternativa, la harina de pescado u otra fuente de hidroxiapatita también se puede usar dentro de materiales sintéticos no tejidos, tales como PBT, PET, PP y/o similares mediante la incorporación al aglutinante y/o la incorporación directa a la materia antes de la formación de fibras de aplicación en húmedo. Este procedimiento también tiene utilidad para añadir harina de pescado u otra fuente de hidroxiapatita a laminados de celulosa tales como "papeles de encolar". También se pueden incorporar una o más fuentes de hidroxiapatita sobre o en el separador por medio de, por ejemplo, adherencia recubierta (después de la formación del separador), inclusión directa (durante la formación), a materiales laminados fibrosos orgánicos e inorgánicos en contacto con el separador y/o combinaciones de los mismos.

Otro planteamiento para la incorporación de hidroxiapatita (como harina de pescado molida) es recubrir la harina de pescado directamente en la superficie positiva y/o negativa del separador. Un ejemplo de este procedimiento es producir una suspensión de la concentración deseada, recubrir la superficie positiva o negativa con la suspensión por medios de recubrimiento conocidos (baño por inmersión, pulverización, rodillo, contacto entre dos rodillos, etc.) y luego secar el artículo separador de la suspensión para asegurar inmovilización de la harina de pescado durante cualquier etapa prerrequisito de procesamiento del separador anterior a la construcción y formación de la batería. Por lo tanto, las fuentes de hidroxiapatita se pueden aplicar mezclándolas con un vehículo, por ejemplo, agua (u otro disolvente o aglutinante), para producir una suspensión o mezcla adecuada para la aplicación de un revestimiento superficial (preferiblemente un revestimiento poroso).

Otro planteamiento para la incorporación de hidroxiapatita en el dispositivo de almacenamiento de energía consiste en combinar el mineral reactivo (p. ej., harina de pescado) en la resina utilizada para producir el hardware del contenedor para la batería en sí (la carcasa, los soportes, los divisores, la cubierta y/o o similares). Por lo tanto, puede producirse cierto nivel de contacto con el tiempo con la solución electrolítica y la superficie de la caja de resina, los soportes, los divisores, la cubierta superior y las partes asociadas que comprenden el compartimento de la batería. Además, las partes que comprenden el compartimento de la batería pueden moldearse por inyección de modo que incorporen material activo (el mineral reactivo) tal como harina de pescado en las superficies internas o interiores de las mismas en concentraciones relativamente elevadas; esto en general se denomina "moldeado interno". Además, los dispositivos de bolsita en los que la hidroxiapatita está contenida como un polvo de masa dentro de un cerramiento poroso, no tejido, de papel y/o plástico u otro diseño que permita el almacenamiento de hidroxiapatita en una solución de electrolito libre se pueden utilizar para liberar rápidamente o con el tiempo el agente activo (mineral reactivo) en el electrolito (tal como fibra de vidrio impregnada con harina de pescado, malla de vidrio u otro material de embalaje no tejido, microesferas de liberación prolongada, un gel que contiene el mineral reactivo, etc.). La inclusión directa de la hidroxiapatita en el almacenamiento en masa del electrolito se puede utilizar para proporcionar una dosis fija del ingrediente durante el relleno del electrolito inmediatamente antes de la formación de la batería o en cualquier momento durante el proceso de fabricación de la batería. También es posible mezclar la hidroxiapatita (como la harina de pescado) en el revestimiento de material electroquímicamente activo que se aplica a los electrodos positivo y negativo respectivamente. El proceso de preparación de las sustancias químicas del material activo y el proceso de aplicación del material activo a las rejillas de electrodos pueden modificarse para incluir la incorporación de harina de pescado u otro material de hidroxiapatita (el mineral reactivo se puede incluir en las formulaciones de electrodos electroquímicamente activos). Finalmente, la hidroxiapatita también puede tener utilidad como aditivo más adelante en la vida útil de la batería, por ejemplo, después de un intervalo de servicio sugerido, se inyecta a la batería un nivel de hidroxiapatita para aumentar la vida útil a través de la protección continua contra la despolarización del electrodo negativo (y prevención de "cortocircuitos de hidratación").

La siguiente Tabla I ilustra los resultados inesperados que se pueden lograr incluso con cargas bajas de hidroxiapatita (como la harina de pescado). Por ejemplo, una carga del 10% de harina de pescado como sustitución del relleno de sílice en el separador de batería de la Muestra G mostró una asombrosa reducción del 72,6% en el plomo en la solución de Pb de 20 ml.

Tabla I:

Todas las muestras se sumergieron sin agitación en la solución estándar de Pb durante 4 días antes del análisis en el servicio de prueba.

La solución estándar de Pb (Fisher Scientific) comprende ~ 100 ppm (mg/l) de Pb en una solución de ácido nítrico y agua, pH= 1-2

Todas las muestras de solución se filtraron sin partículas en el servicio de prueba antes de la prueba.

El separador de control de la muestra E (lleno de sílice) mostró una reducción de Pb del 19,9%. Sin embargo, los datos del separador de control están sujetos al mecanismo de eliminación por adsorción reversible de la sílice precipitada. A medida que el contenido de sílice se sustituye por la fuente de hidroxiapatita (muestra F), el mecanismo de adsorción se interrumpe gradualmente y finalmente se sustituye por el mecanismo de unión por secuestro de PIMS (muestra G). En otras palabras, las reducciones de Pb en las Muestras F y G son unión permanente (secuestro) en comparación con la adsorción temporal de la Muestra E.

Las muestras en polvo (puras) de las Muestras B, C y D se humedecieron fácilmente y se sumergieron en la solución de ensayo de Pb; se observó un contacto completo del polvo con la solución. Las muestras de la membrana del separador de las muestras E, F y G se trataron con un tensioactivo disponible comercialmente a niveles comparables a los utilizados para los separadores típicos de baterías de ácido de plomo.

Todas las muestras de la membrana del separador se humedecieron fácilmente y se sumergieron en la solución de ensayo de Pb; se observó un contacto completo con la superficie y los poros subyacentes.

La siguiente Tabla II ilustra los resultados sorprendentes que se pueden lograr incluso con una carga baja de relleno de hidroxiapatita (tal como harina de pescado). Por ejemplo, una carga del 10% de harina de pescado como sustitución del relleno de sílice en el separador de batería de la Muestra L mostró una reducción inesperada del 56,2% en el plomo en los 20 ml de solución de Pb, mientras que una carga del 50% de harina de pescado como sustitución del relleno de sílice en el separador de batería de la Muestra M mostró una sorprendente reducción del 99,6% (eliminación sustancialmente completa) en el plomo en la solución de Pb de 20 ml.

Tabla II:

Los separadores de control de las Muestras E e I (rellenos de sílice ~70%) mostraron reducciones de Pb respectivas del 15,4% y el 23,9%. Sin embargo, los datos del separador de control están sujetos al mecanismo de eliminación por adsorción reversible de la sílice precipitada. A medida que el contenido de sílice se sustituye por la fuente de hidroxiapatita de harina de pescado (Muestras J y K), el mecanismo de adsorción se interrumpe gradualmente y finalmente se sustituye por el mecanismo de unión por secuestro de PIMS (Muestras L y M). En otras palabras, las reducciones de Pb en las Muestras L y M son una unión permanente (secuestro) en comparación con la adsorción temporal de las Muestras E e I.

Las muestras en polvo (puras) de las Muestras B, C, D y N se humedecieron fácilmente y se sumergieron en la solución de ensayo de Pb; se observó un contacto completo del polvo con la solución.

Las muestras de la membrana del separador de las Muestras E a M se trataron con un tensioactivo disponible comercialmente a niveles comparables a los utilizados para los separadores típicos de baterías de ácido de plomo.

Todas las muestras de la membrana del separador se humedecieron fácilmente y se sumergieron en la solución de ensayo de Pb; se observó un contacto completo con la superficie y los poros subyacentes.

El procedimiento de prueba de ensayo de Pb se llevó a cabo a través del procedimiento ICP/MS EPA 200.8. Todas las muestras sumergieron estáticamente sin agitación durante un periodo de 48-72 horas.

Se analizó el nivel de fósforo de todas las muestras después de la exposición y se encontró que estaba por debajo de los niveles máximos aceptables.

Es conocido que un grupo de compuestos inorgánicos (minerales) se unen eficazmente a metales pesados tales como el plomo, el cadmio, el hierro, el zinc y el cobre. El mecanismo por el cual los minerales se unen a los metales pesados se denomina "estabilización de metales inducida por fosfato" (PIMS) y se utiliza ampliamente para las acciones correctivas medioambientales de suelos y aguas contaminados. En las aplicaciones medioambientales, las cantidades en masa de minerales que poseen afinidad PIMS por los metales tóxicos se mezclan con suelo contaminado o se recogen dentro de una carcasa por lo que el agua puede filtrarse a través de la torta del mineral en masa.

Proponemos el concepto novedoso de añadir al menos una fuente de hidroxiapatita (HA) o hidroxiapatita (tal como hidroxiapatita sintética y/o natural, preferiblemente minerales PIMS, más preferiblemente espina o harina de pescado molida) a una estructura de polímero con una área de la superficie alta, preferiblemente una membrana de polímero poroso, más preferiblemente una membrana de poliolefina microporosa (lámina plana o fibra hueca), lo más preferiblemente una membrana de polietileno microporoso que utiliza minerales PIMS como relleno, preferiblemente como una sustitución parcial del componente de relleno de sílice de una membrana de polietileno microporosa rellena de sílice. La membrana cargada con mineral de hidroxiapatita se puede utilizar como medio filtrante, embalaje, revestimiento o similar para facilitar la eliminación de metales pesados de líquidos contaminados como el agua.

Los separadores tienen capacidades de eliminación de metales pesados a través de propiedades químicamente activas proporcionadas por uno o más rellenos minerales, partículas, recubrimientos, agentes y similares químicamente activos o reactivos, naturales o sintéticos, preferiblemente biominerales de huesos o dientes, más preferiblemente espina o harina de pescado. Dichas baterías, separadores, componentes y/o composiciones nuevos o mejorados tienen ventajas de bajo coste de materia prima, eliminación de plomo, reducción de la necesidad de sulfato de sodio, prolongación de la garantía de la batería, uso de desechos industriales o reciclados o subproductos y/o similares.

Hemos:

incorporado un material compatible con los procesos actuales de producción de separadores en los separadores de baterías para unir sistemáticamente el Pb en solución y reducir la aparición de cortocircuitos de hidratación durante la vida útil de la batería.

• Incorporado un material de fuentes comunes (y renovables):

- Pescado (más eficaz a pH bajo o muy bajo)

o Huesos

o Escamas

- Crustáceos (rango funcional similar a la harina de pescado)

o Exoesqueleto

- Mariscos (más eficaz en condiciones básicas por encima de un pH del 8,5)

o Cáscaras

- Carne de res (rango funcional similar a la harina de pescado)

o Huesos

- Turba (rango funcional cerca de un pH neutro)

o Humus, materia vegetal descompuesta.

- Residuos de té (rango funcional cerca de un pH neutro)

o Subproductos de la fabricación del té, tallos, hojas no deseadas.

• Identificado harina de pescado posiblemente preferida a partir de especies de peces "pelágicos".

- Peces pequeños y óseos a menudo considerados no comestibles por los humanos.

- Los mariscos también pueden constituir un componente menor.

- La harina de pescado es esencialmente el hueso y la escama después de la purificación, el lavado, el secado y la molienda.

o Típicamente, entre un 4 y un 6% de aceite residual permanece con la harina de pescado. o La harina de pescado comprende el mineral de la apatita con la fórmula:

o Ca10-xNax(PO4)6-x(CO3)x(OH)2

Un ejemplo de batería de ácido de plomo, por ejemplo, una batería SLI de ácido de plomo inundada, incluye una placa negativa (electrodo) y una placa positiva (electrodo) con un separador intercalado entre ellas. Estos componentes están alojados dentro de un contenedor que también incluye terminales, ventilaciones y tapones de ventilación múltiple. El separador tiene nervaduras transversales en la superficie que mira hacia la placa negativa y nervaduras longitudinales en la superficie que mira hacia la placa positiva (véase, por ejemplo, las Figuras 5 y 26). Aunque en la Figura 31 se muestra una batería en particular, el separador de la invención se puede usar en muchos tipos diferentes de baterías o dispositivos que incluyen, por ejemplo, pero no se limitan a, ácido de plomo sellado, ácido de plomo inundado, ácido de plomo ISS, baterías combinadas y unidades de condensador, otros tipos de baterías, condensadores, acumuladores y/o similares.

El separador de las Figuras 5 y 26 es una membrana de polímero poroso (tal como una membrana de polietileno microporoso que tiene poros de menos de aproximadamente 1 micra). Los separadores de la invención son microporosos hechos de materiales naturales o sintéticos, tales como poliolefina, polietileno, polipropileno, resina fenólica, PVC, caucho, pulpa de madera sintética (SWP), fibras de vidrio, fibras de celulosa o combinaciones de los mismos, más preferiblemente una membrana microporosa hecha de polímeros termoplásticos.

Las membranas microporosas posiblemente preferidas pueden tener diámetros de poro de alrededor de 0,1 micras (100 nanómetros) y porosidades de alrededor del 60%. Los polímeros termoplásticos pueden, en principio, incluir todos los materiales termoplásticos resistentes a los ácidos adecuados para su uso en baterías de ácido de plomo. Los polímeros termoplásticos preferidos incluyen polivinilos y poliolefinas. Los polivinilos incluyen, por ejemplo, poli(cloruro de vinilo) (PVC). Las poliolefinas incluyen, por ejemplo, polietileno, polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE) y polipropileno. Una realización preferida puede incluir una mezcla de relleno (por ejemplo, sílice y/o mineral reactivo) y UHMWPE. En general, el precursor del separador preferido puede fabricarse mezclando, en una máquina de extrusión, aproximadamente un 30% en peso de relleno con aproximadamente un 10% en peso de UHMWPE y aproximadamente un 60% de aceite de procesamiento. La mezcla también puede incluir cantidades menores de otros aditivos o agentes como es común en las técnicas de los separadores (tales como agentes humectantes, colorantes, aditivos antiestáticos y/o similares) y se extruye en forma de lámina plana. Las nervaduras están formadas preferentemente por las superficies grabadas de los rodillos de calandrado opuestos. A partir de ahí, se extrae gran parte del aceite de procesamiento y se forma la membrana microporosa.

Con referencia nuevamente a las Figuras 5 y 26 de los dibujos, Según un ejemplo particular, las nervaduras cruzadas negativas tienen un grosor de aproximadamente 4 milésimas de pulgadas, la banda posterior tiene un grosor de aproximadamente 6 milésimas de pulgadas y las nervaduras positivas tienen un grosor de aproximadamente 20 milésimas de pulgadas (grosor total del separador aproximadamente 30 milésimas de pulgadas). El separador preferido puede ser una pieza cortada o un separador de hojas (de la Figura 33) o un envoltorio, sobre, bolsa, bolsillo, con o sin laminado opcional (véase la Figura 27), malla de vidrio (de la Figura 33) o material sintético no tejido, y puede tener nervaduras cruzadas menores en la cara opuesta del separador como las nervaduras longitudinales principales.

Las nervaduras cruzadas en la cara opuesta del separador, al igual que las nervaduras longitudinales, aumentan la rigidez y la protección de la lámina, lo que permite reducir la masa de la banda posterior, reducir el RE, reducir el coste y aumentar las propiedades físicas, como puede ser necesario para la producción y el ensamblaje a alta velocidad (incluida la producción y/o el ensamblaje de separadores, envolturas y/o baterías de alta velocidad). Dichos separadores o precursores se pueden producir en rollos, envolturas (o bolsillos) y piezas, y se pueden usar cuando se utiliza el procesamiento de separadores mediante automatización de alta velocidad o ensamblaje manual y se desea una alta productividad.

Además, la masa del separador puede reducirse mientras se mantienen las propiedades físicas necesarias para el procesamiento y el rendimiento dentro de la batería añadiendo nervaduras cruzadas o transversales opuestas, por ejemplo, a las nervaduras longitudinales principales. La masa de la nervadura principal se reduce preferiblemente cuando las nervaduras cruzadas se añaden al lado opuesto para lograr el grosor global deseado del separador (nervadura principal banda posterior nervadura cruzada). La lámina también se puede reducir en grosor y/o masa mientras se mantienen las propiedades de productividad tales como la rigidez y se protege la lámina de la abrasión y las roturas y rasgaduras por oxidación durante la vida útil de la batería mediante la incorporación de nervaduras cruzadas o transversales.

Según al menos un ejemplo o realización, se añaden pequeñas nervaduras transversales con un espaciado muy ajustado en el lado del separador de ácido de plomo que entra en contacto con el electrodo negativo (preferiblemente además de las nervaduras principales en el lado positivo). Las nervaduras transversales negativas pequeñas y con un espaciado muy ajustado pueden tener muchas formas diferentes, incluso sin limitación, patrones de nervaduras sinusoidales, diagonales o rectas, que son continuos o discontinuos. Para facilitar el procesamiento, se pueden preferir las nervaduras rectas redondeadas.

Las nervaduras principales longitudinales positivas pueden adoptar muchas formas que discurren sustancialmente en la dirección longitudinal, por ejemplo, nervaduras sinusoidales, diagonales o rectas, que son continuas o discontinuas. Para facilitar el procesamiento, se pueden preferir las nervaduras rectas redondeadas. En determinados diseños de baterías, a menudo denominados diseño japonés, no existen nervaduras positivas, sino que se sustituyen con una malla de vidrio pesada laminada en la cara plana positiva del separador. En esta realización del separador con la cara positiva de malla de vidrio, las nervaduras negativas transversales de la presente invención funcionan de la misma manera que las realizaciones con nervaduras longitudinales positivas. La cara positiva puede ser lisa o plana, tener proyecciones, tener nervaduras o tener un material no tejido unido o laminado a la misma. Dichos materiales no tejidos pueden estar formados por materiales o mezclas sintéticas, naturales, orgánicas o inorgánicas, como fibra de vidrio, poliéster (PET), PET reciclado o combinaciones de los mismos (con o sin los minerales reactivos de la invención). El separador puede ser un separador de piezas cortadas o un separador tipo envoltorio, sobre, bolsa o bolsillo.

El separador preferido tiene lo siguiente:

1) Altura de la nervadura transversal - preferiblemente entre aproximadamente 0,02 y 0,30 mm, y más preferiblemente entre aproximadamente 0,075 y 0,15 mm.

2) Grosor de la lámina (sustrato) - preferiblemente entre aproximadamente 0,065 y 0,75 mm.

3) Grosor total (nervadura positiva banda posterior nervadura negativa) - grosor total del separador preferiblemente entre aproximadamente 0,200 y 4,0 mm.

4) Reducción de masa - preferiblemente superior al 5%, más preferiblemente superior al 10%. Las nervaduras transversales aumentan la rigidez transversal del separador y permiten disminuir el grosor de la banda posterior o del sustrato. La masa se puede eliminar tanto de la banda posterior como de las nervaduras positivas mientras se mantiene y aumenta la rigidez transversal. Además, las nervaduras negativas transversales contribuyen al grosor total del separador. Por lo tanto, la altura de la nervadura longitudinal positiva puede reducirse directamente por la altura de la nervadura cruzada negativa.

5) Tipo de Separador: el separador puede ser de materiales porosos, tales como material termoplástico microporoso o macroporoso, preferentemente polietileno, polipropileno, poli(cloruro de vinilo) y sus mezclas, así como de caucho, poliolefina, resina fenólica reticulada, celulosa, vidrio, o combinaciones de los mismos.

Los beneficios adicionales o alternativos de la incorporación de nervaduras cruzadas negativas incluyen:

1) Reducción de la resistencia eléctrica: dado que el diseño del perfil de la nervadura cruzada negativa permite la eliminación de masa mientras se mantiene una rigidez a la flexión transversal equivalente o superior, la resistencia eléctrica observada será preferiblemente menor.

2) Minimizar la propagación de rasgaduras: cuando el separador está extremadamente oxidado, es probable que se desarrolle una grieta o hendidura en la banda posterior y se extienda paralela a la nervadura longitudinal principal. La nervadura cruzada negativa detendrá preferentemente la propagación de dichas rasgaduras debido, por ejemplo, a la masa extra en las nervaduras.

3) Alineación lateral: en el proceso de ensamblaje, las placas envueltas se alinean horizontal y verticalmente antes de fundir la correa para conectar los electrodos positivo y negativo respectivamente. Para la alineación vertical, las nervaduras positivas proporcionan un medio para que el separador y la placa se deslicen cuando se entran en contacto entre sí. Para una alineación lateral típica, la placa negativa puede deslizarse al entrar en contacto con la banda posterior plana. Las nervaduras transversales negativas ofrecerán preferiblemente menos superficie y deberían ayudar en la operación de alineación lateral.

Según al menos una realización, el separador está compuesto de un polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE) mezclado con un aceite de procesamiento y relleno de sílice precipitado y/o mineral reactivo. Según al menos una realización particular, las nervaduras cruzadas negativas tienen preferiblemente un radio de 2 a 6 milésimas de pulgada y un espaciado entre nervaduras de 10 a 50 milésimas de pulgada.

Según al menos realizaciones seleccionadas, el separador de batería incluye una membrana porosa que tiene una banda posterior y al menos dos filas de nervaduras positivas en el lado positivo de la banda posterior, y una pluralidad de nervaduras cruzadas negativas o nervaduras cruzadas en el lado negativo de la banda posterior. Las nervaduras positivas pueden ser rectas u onduladas, pueden tener una parte sólida y pueden tener forma de tronco de pirámide.

La membrana se puede seleccionar de entre el grupo de poliolefina, caucho, poli(cloruro de vinilo), fenólico, celulosa o combinaciones de los mismos, y la membrana es preferiblemente un material de poliolefina que forma un separador de batería para una batería de almacenamiento.

Se utiliza un separador de batería para separar los electrodos positivo y negativo de la batería, y típicamente es microporoso para que los iones puedan pasar a través de los electrodos positivo y negativo. En las baterías de almacenamiento de plomo/ácido, ya sean baterías automotrices o industriales, el separador de la batería es típicamente un separador de polietileno microporoso que tiene una banda posterior y una pluralidad de nervaduras positivas colocadas en la banda posterior. Los separadores para baterías de automóviles típicamente se fabrican en longitudes continuas y se enrollan, luego se doblan y se sellan a lo largo de sus bordes para formar bolsas que reciben los electrodos de las baterías. Los separadores para baterías industriales (de tracción) típicamente se cortan a un tamaño similar al de una placa de electrodos (separador de piezas).

En una realización del presente procedimiento para fabricar un separador de batería de plomo/ácido a partir de una lámina de material plástico, la lámina se moldea por calandrado para formar salientes o nervaduras cruzadas o transversales en el lado negativo, y preferiblemente se moldea por calandrado para formar simultáneamente ambas nervaduras longitudinales positivas y nervaduras cruzadas o transversales negativas en los lados opuestos de la lámina.

Una vez que una batería está suficientemente cargada y se aplica corriente de forma continua (es decir, sobrecarga), se genera hidrógeno en la placa negativa y oxígeno en la placa positiva. A medida que se forma hidrógeno en la placa negativa, puede alejar el separador de la placa negativa, formando así una bolsa de gas que puede evitar el escape de gas. La presente invención aborda este problema y proporciona un separador de batería mejorado. Por ejemplo, las nervaduras cruzadas negativas que se extienden a través de la superficie posterior o negativa están interrumpidas por áreas planas, fisuras o rebajes detrás de cada nervadura positiva (véase la Figura 26). Los planos, fisuras o rebajes forman los canales que pueden prolongarse longitudinalmente y pueden proporcionar el escape de hidrógeno gaseoso, pueden permitir la extracción de plastificante o lubricante de las nervaduras positivas y/o similares. Se proporciona un separador que tiene dichos canales que permiten que escape cualquier hidrógeno gaseoso.

En al menos una realización, el separador está hecho de un material termoplástico microporoso que está provisto de nervaduras longitudinales positivas y nervaduras cruzadas negativas, con la altura de al menos la mayoría de las nervaduras longitudinales que es mayor que la de las nervaduras cruzadas, y las nervaduras longitudinales y transversales que son nervaduras sólidas formadas integralmente a partir de plástico, caracterizadas por que las nervaduras transversales se extienden sustancialmente a lo largo de toda la anchura posterior del separador. El grosor de la lámina separadora puede ser de aproximadamente 0,10 a 0,50 mm, la altura de las nervaduras longitudinales puede ser de 0,3 a 2,0 mm y la altura de las nervaduras transversales puede ser de 0,1 a 0,7 mm, la rigidez longitudinal con una anchura de 100 mm puede ser de aproximadamente 5 mJ y la rigidez transversal puede ser de aproximadamente 2,5 mJ, y el grosor total del separador puede ser inferior a 2,5 mm.

Los separadores según la presente invención se pueden fabricar de manera similar a los separadores de polietileno convencionales con la incorporación o sustitución de rellenos minerales reactivos, un rodillo negativo que tiene ranuras para formar las nervaduras cruzadas negativas, un rodillo positivo que no tiene ranuras o con ranuras de menos profundidad y/o similares. En un procedimiento preferido, el relleno que contiene material plástico se extruye a través de una boquilla de ranura ancha para formar una película y luego pasar por dos rodillos de calandrado (rodillo positivo, rodillo negativo) por medio de los cuales se producen tanto las nervaduras longitudinales positivas como las nervaduras transversales negativas y la lámina del separador se reduce al grosor deseado. El rodillo positivo puede tener ranuras anulares o circunferenciales poco profundas que forman las nervaduras y áreas lisas o rellanos o rayas que forman áreas lisas en el separador para sellar los bordes de las bolsas. El rodillo negativo puede tener ranuras axiales poco profundas que forman las nervaduras cruzadas. Además, el rodillo negativo puede tener conjuntos espaciados de ranuras axiales poco profundas con rellanos o áreas lisas (por ejemplo, para las zonas de soldadura) entre ellas.

Los separadores según la presente invención con nervaduras cruzadas negativas tienen preferiblemente una mejor manejabilidad en la máquina que aquellos sin dichas nervaduras cruzadas, una mejor guía de las pistas del separador como resultado de una mayor rigidez transversal, y la capacidad de procesamiento para colocar las placas de los electrodos en los bolsillos debería mejorar debido a la mayor rigidez transversal. Además, debería ser posible la producción de separadores con un grosor de lámina considerablemente reducido y, en consecuencia, con una resistencia eléctrica reducida, lo cual es de importancia particularmente en relación con los esfuerzos para aumentar constantemente la producción de la batería con un volumen de batería constante. Los separadores según la invención deberían poder procesarse para formar bolsillos sin dificultad en máquinas convencionales. Las nervaduras negativas transversales adicionales no deberían causar problemas ni con la soldadura de las bolsas con el uso de calor o medios ultrasónicos ni con el proceso mecánico para producir bolsillos.

En al menos una realización particular, el separador hecho de plástico elástico y adecuado para su uso en una batería de almacenamiento de ácido de plomo, incluye un material laminar con una zona interior y dos zonas periféricas y con nervaduras positivas que discurren en la dirección longitudinal con las nervaduras longitudinales en la la región interna que está más separada que las de la región periférica y con nervaduras negativas que discurren en la dirección transversal.

Una batería de ácido de plomo nueva o mejorada puede incluir preferiblemente: una carcasa que contiene un electrodo positivo separado de un electrodo negativo con un separador poroso ubicado entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y un electrolito en comunicación iónica entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y al menos uno de la carcasa, el separador, el electrodo positivo, el electrodo negativo y el electrolito incluyen al menos un mineral de hidroxiapatita natural o sintético.

Una batería de ácido de plomo nueva o mejorada puede incluir preferiblemente: una carcasa que contiene un electrodo positivo separado de un electrodo negativo con un separador poroso ubicado entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y un electrolito en comunicación iónica entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y al menos dos de la carcasa, el separador, el electrodo positivo, el electrodo negativo y el electrolito incluyen al menos un mineral de hidroxiapatita natural o sintético.

Una batería de ácido de plomo nueva o mejorada puede incluir preferiblemente: una carcasa que contiene un electrodo positivo separado de un electrodo negativo con un separador poroso ubicado entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y un electrolito en comunicación iónica entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y al menos tres de la carcasa, el separador, el electrodo positivo, el electrodo negativo y el electrolito incluyen al menos un mineral de hidroxiapatita natural o sintético.

Una batería de ácido de plomo nueva o mejorada puede incluir preferiblemente: una carcasa que contiene un electrodo positivo separado de un electrodo negativo con un separador poroso ubicado entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y un electrolito en comunicación iónica entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y al menos cuatro de la carcasa, el separador, el electrodo positivo, el electrodo negativo y el electrolito incluyen al menos un mineral de hidroxiapatita natural o sintético.

Una batería de ácido de plomo nueva o mejorada puede incluir preferiblemente: una carcasa que contiene un electrodo positivo separado de un electrodo negativo con un separador poroso ubicado entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y un electrolito en comunicación iónica entre el electrodo positivo y el electrodo negativo y cada uno de la carcasa, el separador, el electrodo positivo, el electrodo negativo y el electrolito incluyen al menos un mineral de hidroxiapatita natural o sintético.

Los separadores nuevos o mejorados de la presente invención pueden encontrar uso como separadores de baterías de ácido de plomo, separadores para su uso en aplicaciones de baterías de potencia de arranque, de ciclo profundo y de reserva, o en tipos de baterías inundadas, de gel y AGM utilizadas en aplicaciones tales como: aplicaciones de baterías de ácido de plomo de arranque, estacionarias, de fuerza motriz y de ciclo profundo, así como aplicaciones de baterías de ácido de plomo especiales e inundadas y/o baterías de gel de ácido de plomo de primera calidad. Además, dichos separadores se pueden usar en otras baterías, acumuladores, condensadores y/o similares.

Según al menos determinadas realizaciones, se prefiere que se añada al menos una fuente de mineral de hidroxiapatita (tal como harina de pescado molido) para sustituir una porción del relleno de sílice en un separador con relleno de sílice a niveles de sustitución de aproximadamente el 1% al 50% de la sílice, más preferiblemente alrededor del 5% al 30%, y lo más preferiblemente alrededor del 10% al 20%.

Según al menos otras realizaciones determinadas, se prefiere que al menos una fuente de hidroxiapatita (tal como harina de pescado molida) se añada como relleno en un separador relleno con niveles de relleno de aproximadamente el 1% al 75% de relleno, más preferiblemente aproximadamente del 5% al 50%, y lo más preferiblemente de aproximadamente el 10% al 30%.

Según al menos otras realizaciones determinadas, se prefiere que al menos una fuente de hidroxiapatita (tal como harina de pescado molido) se añada como relleno en un separador de batería a niveles de aproximadamente el 1 % al 75% por ciento en peso del separador, más preferiblemente de aproximadamente el 2% al 35%, y lo más preferiblemente de aproximadamente el 5% al 20%.

Según al menos realizaciones seleccionadas de la presente invención, se proporciona un concepto que se cree novedoso de utilizar minerales PIMS como un componente de relleno dentro de un separador de batería de ácido de plomo microporoso. Según una realización o ejemplo particular, el mineral PIMS (preferiblemente harina de pescado, un biomineral) se proporciona al menos como una sustitución parcial del componente de relleno de sílice en un separador de batería de ácido de plomo relleno de sílice (preferiblemente una formulación de separador de polietileno/sílice).

Según al menos determinadas realizaciones de la presente invención, se proporciona un concepto novedoso de utilizar uno o más minerales PIMS naturales o sintéticos como componente de relleno dentro de un separador de batería de ácido de plomo microporoso. Según realizaciones o ejemplos más particulares, se proporciona un mineral PIMS (preferiblemente harina de pescado, un biomineral) como sustitución al menos parcial del componente de relleno de sílice en un separador de batería de ácido de plomo relleno de sílice (preferiblemente una formulación de separador de polietileno/sílice). Según al menos realizaciones seleccionadas, la presente invención se dirige a baterías, separadores, componentes y/o composiciones nuevos o mejorados que con capacidades de eliminación de metales pesados y/o procedimientos de fabricación y/o procedimientos de uso de los mismos.

Según al menos realizaciones seleccionadas de la presente invención, se proporciona un concepto que se cree novedoso de utilizar minerales PIMS como un componente de relleno dentro de un separador de batería de ácido de plomo PE ISS microporoso. Según una realización o ejemplo particular, el mineral PIMS (preferiblemente harina de pescado, un biomineral) se proporciona como al menos una sustitución parcial del componente de relleno de sílice en un separador de batería de ácido de plomo relleno de sílice (preferiblemente una formulación de separador de polietileno/sílice).

Un modo de fallo común dentro de la industria de las baterías de ácido de plomo es el fenómeno de los "cortocircuitos de hidratación''. El planteamiento convencional para la prevención de los cortocircuitos de hidratación consiste en la incorporación de sulfato de sodio (Na2SO4) a la solución electrolítica durante la fabricación de la batería. Este planteamiento requiere una etapa de fabricación adicional, lo que añade complejidad al procesamiento de la batería. La incorporación de sulfato de sodio actúa para "dificultar" los cortocircuitos de hidratación.

Se han identificado una variedad de minerales PIMS; algunos de los cuales han sido evaluados por su afinidad con el plomo. Se ha demostrado que un mineral PIMS derivado de la espina de pescado (tal como la harina de pescado triturada en un laboratorio comercial) tiene una mayor afinidad por el ion plomo que las otras muestras naturales o sintéticas evaluadas.

Según al menos realizaciones seleccionadas, la reducción de plomo se logra incorporando minerales PIMS en separadores de baterías de ácido de plomo ISS, preferiblemente incorporando minerales PIMS derivados de espinas de pescado.

Según al menos realizaciones seleccionadas de la presente invención, se proporciona un concepto que se cree novedoso de utilizar minerales PIMS como un componente de relleno dentro de un separador de batería de ácido de plomo ISS microporoso. Según una realización particular o ejemplo, el mineral PIMS (preferiblemente harina de pescado, un biomineral) se proporciona al menos como una sustitución parcial del componente de relleno de sílice en el separador de batería de ácido de plomo actual relleno de sílice (preferiblemente una formulación de separador de polietileno/sílice).

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Un separador para una batería de ácido de plomo de parada y arranque en ralentí que comprende una membrana microporosa hecha de un polímero, teniendo la membrana una pluralidad de nervaduras transversales en un primer lado, mirando la nervadura transversal hacia un electrodo negativo y siendo perpendicular a la nervadura en un lado que mira hacia el electrodo positivo, en donde las nervaduras transversales negativas están interrumpidas por áreas planas, fisuras o rebajes detrás de cada nervadura positiva, en donde dichas partes planas, fisuras o rebajes forman canales que se extienden longitudinalmente.

2. El separador de la reivindicación 1, en donde las nervaduras transversales negativas tienen un grosor de 0,10 mm (4 milésimas de pulgada de grosor).

3. El separador de las reivindicaciones 1-2, en donde la banda posterior tiene un grosor de 0,15 mm (6 milésimas de pulgada de grosor).

4. El separador de la reivindicación 1-3, en donde las nervaduras positivas tienen un grosor de 0,51 mm (20 milésimas de pulgada de grosor).

5. El separador de las reivindicaciones 1-4, en donde las nervaduras positivas tienen forma de tronco de pirámide.

6. El separador de las reivindicaciones 1-5, en donde el polímero se selecciona del grupo que consiste en poliolefina, caucho, poli(cloruro de vinilo), fenólico, celulósico, y combinaciones de los mismos.