ITPD20070355A1 - Separatore per accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

Forma oggetto della presente invenzione una separatore per accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione e un accumulatore al piombo provvisto di tale separatore.

Stato della tecnica

Come è noto, negli accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione, noti anche come accumulatori "starved electrolyte" o AGM (Absorbed Glass Mat), tra i due elettrodi, positivo e negativo, di ciascuna coppia elettrochimica, viene interposto un separatore costituito da un materassino in fibra di vetro.

I due elettrodi sono costituiti da elementi piastriformi piani. L'elettrodo positivo è realizzato in biossido di piombo (Pb02), mentre l'elettrodo negativo in piombo spugnoso (Pb).

La combinazione di una piastra positiva, con un separatore e con una piastra negativa, costituisce la coppia elettrochimica elementare. Più coppie elettrochimiche sovrapposte (il numero di coppie determina la capacita della cella) costituiscono la cella elementare di una batteria. La cella a sua volta è inserita in una soluzione di un elettrolito (acido solforico diluito) che garantisce la continuità elettrica e permette quindi la generazione di un flusso di corrente.

Il separatore in fibra di vetro attualmente in uso ha la funzione di isolare elettricamente le due piastre di opposta polarità.

Il separatore assorbe l'elettrolito (soluzione diluita di acido solforico) mantenendolo in forma liquida così da rendenderlo disponibile alla reazione elettrochimica. Nelle batterie a ricombinazione infatti l'elettrolito non deve essere libero tra le piastre ma completamente assorbito nel separatore.

Il separatore in fibra di vetro permette, inoltre, la migrazione al suo interno dei gas (idrogeno e ossigneo) generati dalle reazioni elettrochimiche, facilitandone la ricombinazione. Questa funzione essenziale è resa possibile dal fatto che il separatore è costituito da fibre molto sottili (micro fibre) che generano nel tessuto una porosità elevata che non viene saturata dall'elettrolita. In tal modo si favorisce la ricombinazione dei gas che si sviluppano dalle reazioni elettrochimiche (idrogeno e ossigeno si ricompongono per dare origine ad acqua).

Viene riportato di seguito il ciclo di funzionamento di un accumulatore starved.

Alle piastre positive si sviluppa ossigeno e idrogeno per effetto della scomposizione chimica dell'acqua:

L'ossigeno diffonde attraverso il separatore microporoso e migra alle piastre negative dove reagisce con il piombo spugnoso della piastra negativa.

Sulle piastre negative l'ossido di piombo reagisce con l'elettrolito composto da una soluzione di acido solforico, formando solfato di piombo ed acqua.

Il processo di carica trasforma poi il solfato di piombo in piombo ed acido solforico completando così il ciclo della ricombinazione.

Il ciclo completo della batteria/accumulatore è il seguente:

dove a sinistra è lo stato della batteria carica, e a destra lo stato della batteria scarica.

Negli accumulatori starved tradizionali, al momento del montaggio il separatore in fibra di vetro viene compresso tra le due piastre Nel suo complesso ciascuna cella della batteria viene montata con una compressione che di norma deve superare i 15 kPa.

Come è noto, infatti, durante i processi ciclici di carica e di scarica cui è sottoposto un accumulatore, le piastre sono soggette a variazioni di volume che determinano una sorta di "movimenti" di allontanamento e avvicinamento reciproco tra le piastre. Il separatore deve seguire questi movimenti per svolgere pienamente la sua funzione. La compressione del separatore tra le piastre ha pertanto la funzione di permettere al separatore stesso di mantenere uno stretto contatto con le piastre e tra le piastre e l'acido assorbito.

Uno degli inconvenienti degli accumulatori starved tradizionali è legato al fatto che il separatore in fibra di vetro è poco elastico e nel tempo non garantisce una costanza di comportamento nella sua capacità di mantenere un contatto ottimale tra le piastre e l'acido.

Un altro inconveniente è legato al fatto che la manipolazione della fibra di vetro durante le fasi di montaggio deve essere condotta adottando una serie di precauzioni volte a evitare o a limitare il contatto della fibra stessa con gli operatori. Ciò rende da un lato più costoso il processo produttivo e dall'altro non garantisce la totale sicurezza degli operatori.

Presentazione dell'invenzione

Pertanto, scopo della presente invenzione è quello di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota sopra citata, mettendo a disposizione un separatore per accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione che possa garantire nel tempo una maggiore costanza di comportamento in termini di capacità di mantenere un intimo contatto tra le piastre e l'elettrolito assorbito nel separatore.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un separatore per accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione che consenta di aumentare la vita degli accumulatori e la loro efficienza.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un separatore per accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione che durante il montaggio non richieda agli operatori di mettere in atto precauzioni di sicurezza.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un separatore per accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione che sia di economica realizzazione.

Breve descrizione dei disegni

Le caratteristiche tecniche dell'invenzione, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente riscontrabili dal contenuto delle rivendicazioni sottoriportate ed i vantaggi della stessa risulteranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, che ne rappresentano una forma di realizzazione puramente esemplificativa e non limitativa, in cui:

- la Figura 1 mostra una vista schematica di una coppia elettrochimica elementare di una batteria di tipo ermetico a ricombinazione con un separatore secondo l'invenzione.

Descrizione dettagliata

Con riferimento agli uniti disegni è stato indicato nel suo complesso con 1 il separatore per accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione secondo 1 ' invenzione.

Il separatore 1 oggetto della presente invenzione è destinato ad essere interposto tra due piastre di polarità opposta che formano una coppia elettrochimica elementare di un accumulatore al piombo del tipo ermetico a ricombinazione. Nella Figura 1, la piastra positiva è indicata con 2, mentre quella negativa con 3.

In accordo con la soluzione realizzativa illustrata nella Figura 1, il separatore 1 ha una forma essenzialmente a foglio ed è piegato in due così da poter ricevere al suo interno la piastra positiva 2. In tal modo la piastra positiva 2 è isolata elettricamente sia sulle due facce sia in corrispondenza del fondo.

In accordo con una soluzione realizzativa alternativa (non illustrata nelle figure allegate), il separatore 1 può essere avvolto sulla piastra negativa.

In accordo con un'altra soluzione realizzativa il separatore 1 è un foglio non piegato che viene semplicemente interposto tra le due piastre.

Con l'espressione "accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione" si intende includere in particolare accumulatori o batterie denominati come "starved" o "starved electrolyte" o AGM (Absorbed Glass Mat), senza tuttavia alcuna limitazione al loro specifico campo di applicazione, ad esempio stazionario o trazione auto.

Secondo l'invenzione, il separatore comprende almeno uno strato di tessuto non tessuto realizzato a partire da fibre di uno o più polimeri organici.

Con l'espressione "polimeri organici" ci si intende riferire in particolare a polimeri classificabili come materie plastiche.

Vantaggiosamente, i suddetti polimeri organici sono scelti tra i materiali resistenti agli acidi.

Preferibilmente, ma non necessariamente, i suddetti polimeri organici sono poliesteri e/o polipropilene.

Il separatore può essere costituito sia da fibre di un solo tipo di polimero come da miscele di fibre di due o più polimeri differenti. Come sarà ripreso nel seguito, possono anche essere usate fibre bicomponenti, preferibilmente ma non necessariamente di poliestere.

In accordo con una soluzione preferita dell'invenzione, il separatore è realizzato a partire solo da fibre di poliestere e/o da miscele di poliesteri.

Funzionalmente, il separatore secondo l'invenzione è destinato a sostituire il separatore in fibra di vetro tradizionalmente utilizzato nelle batterie starved e ad assolverne tutte le funzioni.

Sorprendentemente il separatore secondo l'invenzione consente di ottenere una serie di vantaggi.

Si è potuto rilevare sperimentalmente che il separatore secondo l'invenzione presenta una superiore elasticità rispetto ad un separatore in fibra di vetro a parità di spessore. In particolare si è rilevato che il separatore secondo l'invenzione mantiene più costante nel tempo la propria elasticità.

Tutto ciò permette al separatore secondo l'invenzione di svolgere le sue funzioni in modo più efficace ed efficiente rispetto ad un tradizionale separatore in fibra di vetro.

Si è inoltre potuto rilevare sperimentalmente che il separatore secondo l'invenzione possiede migliori capacità di assorbimento dei gas rispetto ad un tradizionale separatore in fibra di vetro. Ciò rende più efficiente il funzionamento della batteria in quanto viene favorito il ciclo di ricombinazione dei gas.

Operativamente, si è potuto constatare che non è necessario comprimere il separatore tra le relative piastre e neppure di applicare una compressione al complesso di celle impilate. Le caratteristiche di elasticità e di resilienza del separatore stesso permettono infatti al separatore di seguire i movimenti delle piastre durante i cicli di carica e scarica lungo la vita media della batteria. Ciò rende più semplice ed economico il montaggio delle batterie.

È tuttavia possibile prevedere di comprimere il separatore, preferibilmente con una pressione massima di 5 kPa.

Infine, in considerazione del fatto che il separatore secondo l'invenzione è privo di sostanze nocive per contatto o inalazione (come ad esempio fibre di vetro e/o di amianto), il suo impiego migliora le condizioni di sicurezza per gli addetti all'assemblaggio delle singole celle. Il non dover prevedere particolari precauzioni durante il maneggiamento dei separatori, rende più semplice ed economico il montaggio delle batterie.

Vantaggiosamente il tessuto non tessuto che forma il separatore può essere realizzato adottando una qualsiasi delle tecniche di fabbricazione note, come ad esempio "needle punched" (con o senza resinatura), "spunlace", "meltblow", "spunbond" e "thermal bonding".

Particolarmente preferita è la tecnica"needle punched" che prevede 1'agugliatura ad aghi.

Più in dettaglio, il processo di produzione del tessuto non tessuto prevede le seguenti fasi principali: cardatura, passaggio al faldatore e agugliatura.

Preferibilmente non si prevede la fase di termolegatura del tessuto non tessuto al fine di non irrigidire la struttura del prodotto finale.

In accordo con soluzioni produttive alternative, è tuttavia possibile prevedere anche una fase di termolegatura, oppure, congiuntamente o alternativamente ad essa, una fase di resinatura.

Congiuntamente o disgiuntamente all'adozione della tecnica "needle punched" si è rivelata particolarmente vantaggiosa la realizzazione del tessuto non tessuto a partire da fibre in fiocco ed in particolare da fibre in fiocco a basso titolo (come sarà ripreso più avanti). Il tessuto non tessuto si è infatti rivelato avere caratteristiche di resilienza, capillarità e assorbimento ai gas particolarmente accentuate.

Per "fibre in fiocco" si intende in generale fibre tagliate in piccoli "spezzoni" (ovvero fibre corte), che si presentano alla rinfusa e quindi senza un assetto determinato o preferenziale.

Nel caso specifico riferendosi al fatto che il tessuto non tessuto è formato a partire da fibre in fiocco non deve far escludere che nel tessuto non tessuto finale le fibre in fiocco possano anche presentarsi con un assetto determinato o preferenziale.

Per quanto concerne la solidarizzazione delle fibre del tessuto non tessuto si può prevedere l'impiego di fibre termoformabili, e - congiuntamente o disgiuntamente l'impiego di resine leganti.

Più in dettaglio le fibre termoformabili possono essere ad esempio in polipropilene o in poliestere basso fondente (ad esempio a circa 160°C), ipotizzando ad esempio che il resto delle fibre sia in poliestere altofondente (ad esempio a circa 260°C).

Vantaggiosamente, possono essere usate anche fibre bicomponenti, preferibilmente del tipo a base di poliesteri.

Con il termine "fibra bicomponente" si intende in generale fibre composte da almeno due tipi di polimeri aventi differenti punti di fusione. Preferibilmente, ma non necessariamente, si utilizzano fibre bicomponenti da due polimeri estrusi coassialmente, dove al centro è disposto il polimero alto fondente e all'esterno il polimero basso fondente.

La disposizione dei due polimeri nella struttura filiforme della fibra non deve essere intesa in senso limitativo. Infatti, vantaggiosamente possono essere utilizzate anche fibre bicomponenti con una distribuzione non coassiale dei due polimeri. Ad esempio possono essere usate fibre bicomponenti nelle quali si alternano in senso longitudinale porzioni di un polimero e porzioni dell'altro polimero.

Per quanto concerne le resine leganti possono essere utilizzate, ad esempio, resine stirolo-butadieniche e/o resine acriliche.

Vantaggiosamente, il separatore secondo l'invenzione è realizzato con un tessuto non tessuto formato da fibre a basso titolo, ovvero con titolo compreso tra 0,1 dTex e 3 dTex.

Particolarmente vantaggioso è l'impiego di microfibre ovvero con titolo compreso tra 0,1 e 0,5 dTex, oppure di fibre con titolo compreso tra 0,8 e 2,5 dTex.

Vantaggiosamente Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le fibre hanno un taglio compreso tra 30 e 80 mm.

Vantaggiosamente, il separatore può avere una grammatura compresa tra 80 g/m<2>e 500 g/m<2>, variabile in funzione delle caratteristiche della batteria. Lo spessore del separatore può invece variare tra 1 mm e 5 mm, in funzione del tipo di fibra utilizzata (e quindi della resilienza finale del separatore) e delle caratteristiche della batteria.

Forma inoltre oggetto della presente invenzione un accumulatore al piombo del tipo ermetico a ricombinazione che comprende una pluralità di celle elettrochimiche. Ciascuna celle comprende a sua volta una pluralità di coppie elettrochimiche aventi due elementi piastriformi (preferibilmente piani) di opposta polarità. Per almeno una delle suddette coppie elettrochimiche tra i due elementi piastriformi è interposto un separatore secondo 1'invenzione.

Sorprendentemente si è potuto verificare che il comportamento del separatore secondo l'invenzione è favorito, soprattutto in termini di capillarità, quando la soluzione elettrolitica (preferibilmente a base di acido solforico diluito) presente nella batteria contiene in soluzione silice (SÌO2).

In particolare l'accentuazione delle caratteristiche del separatore si verifica quando la silice (S1O2) è presente in soluzione con una percentuale in peso compresa tra 2% e 5%, e preferibilmente pari a 3%.

L'invenzione così concepita raggiunge pertanto gli scopi prefissati.

Ovviamente, essa potrà assumere, nella sua realizzazione pratica anche forme e configurazioni diverse da quella sopra illustrata senza che, per questo, si esca dal presente ambito di protezione.

Inoltre tutti i particolari potranno essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti e le dimensioni, le forme ed i materiali impiegati potranno essere qualsiasi a seconda delle necessità.

Claims (25)

1. RIVENDICAZIONI 1. Separatore per accumulatori al piombo del tipo ermetico a ricombinazione, comprendente almeno uno strato di tessuto non tessuto realizzato a partire da fibre di uno o più polimeri organici.
2. 2. Separatore secondo la rivendicazione 1, in cui detti polimeri organici sono classificati come materie plastiche.
3. 3. Separatore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti polimeri organici sono poliesteri e/o polipropilene.
4. 4. Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette fibre sono costituite al 100% da poliesteri.
5. 5. Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti polimeri organici sono materiali resistenti agli acidi.
6. 6. Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto tessuto non tessuto è realizzato con una qualsiasi delle seguenti tecniche: needle punched, spunlace, meltblow, spunbond o thermal bonding.
7. 7. Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la produzione di detto tessuto non tessuto prevede almeno una fase di cardatura di dette fibre, una fase di passaggio al faldatore ed una fase di agugliatura, preferibilmente ad aghi.
8. 8. Separatore secondo la rivendicazione precedente, in cui la produzione di detto tessuto non tessuto prevede una fase di termolegatura e/o di resinatura.
9. 9. Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto tessuto non tessuto è realizzato a partire da fibre in fiocco.
10. 10.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno una parte di dette fibre è costituita da fibre termoformabili.
11. 11.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette fibre termoformabili comprendono fibre bicomponenti e/o fibre in polipropilene .
12. 12.Separatore secondo la rivendicazione precedente, in cui dette fibre bicomponenti sono in poliestere.
13. 13.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette fibre sono solidarizzate tra loro almeno in parte tramite resine leganti.
14. 14.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette fibre hanno un titolo compreso tra 0,1 e 3 dTex.
15. 15.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, m cui dette fibre hanno un titolo compreso tra 0,1 e 0,5 dTex.
16. 16.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette fibre hanno un titolo compreso tra 0,8 e 2,5 dTex.
17. 17.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette fibre hanno un taqlio compreso tra 30 e 80 mm.
18. 18.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, avente una grammatura compresa sostanzialmente tra 80 q/m<2>e 500 q/m<2>.
19. 19.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, avente uno spessore compreso tra 1 mm e 5 mm.
20. 20.Separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, avente sostanzialmente forma di foqlio.
21. 21.Separatore secondo la rivendicazione precedente, in cui detto foqlio viene interposto tra due elementi piastriformi di opposta polarità.
22. 22.Separatore secondo la rivendicazione 20, in cui detto foqlio è pieqato sostanzialmente in due a formare una tasca all'interno della quale è destinata ad essere inserito uno dei due elementi di polarità opposta che formano una cella elementare di una batteria.
23. 23.Accumulatore al piombo del tipo ermetico a ricombinazione, comprendente una pluralità di celle elettrochimiche, ciascuna comprendente a sua volta una pluralità di coppie elettrochimiche aventi due elementi di opposta polarità preferibilmente piastriformi, in almeno una di dette coppie essendo interposto tra le due piastre un separatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
24. 24.Accumulatore secondo la rivendicazione precedente, comprendente una soluzione elettrolitica, preferibilmente a base di acido solforico diluito, avente in soluzione silice (S1O2).
25. 25.Accumulatore secondo la rivendicazione precedente, in cui detta silice è presente in soluzione con una percentuale in peso compresa tra 2% e 5%, e preferibilmente pari a 3%.