MX2011002289A

MX2011002289A - Expansores mejorados para baterias de plomo-acido.

Info

Publication number: MX2011002289A
Application number: MX2011002289A
Authority: MX
Inventors: David P Boden; Daniel V Loosemore
Original assignee: Hammond Group Inc
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-04-11
Also published as: US20090325068A1; WO2010027451A1; EP2324524A1; JP2012501519A; US8637183B2; KR20110069775A; BRPI0912947A2; JP5584216B2; CN102203985A; EP2324524A4

Abstract

Una formulación expansora, empleada en composiciones de pasta para baterías. La formulación expansora incorpora cantidades efectivas, o concentraciones elevadas de hasta 6% de grafito y mezclas de negro de carbón y grafito, para reducir o minimizar la acumulación de sulfato de plomo en la superficie de la placa negativa durante una operación de batería PSOC de alto coeficiente o velocidad, y/o para incrementar la eficiencia electroquímica, la capacidad de reserva, el desempeño de arranque en frío y el ciclo de vida útil de las baterías de plomo-ácido.

Description

EXPANSORES MEJORADOS PARA BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO RECLAMACIÓN DE PRIORIDAD Esta solicitud reclama prioridad de la Solicitud de patente no provisional de los E.U.A. Número de Serie 12/231,347, presentada en septiembre 2, 2008, la cual corresponde a una solicitud de continuación-en-parte de la solicitud de patente de los E.U.A. co-pendiente Número de Serie 11/810,65.9, presentada en junio 6, 2007, con titulo "Lead-Acid Battery Expanders with Improved Life at High Temperatures" , Ha completa especificación y descripción de las cuales aquí se incorporan por referencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente descripción se refiere en general a expansores empleados en pastas de baterías y a procesos para producir placas de baterías. .En particular, se describen formulaciones de expansor, para utilizar en pastas de bat rías y procesos para producir placas negativas para diversas baterías de plomo-ácido. Más específicamente, ' la presente descripción comprende una o más formulaciones expansoras , que incorporan grafito. Baterías de vehículo eléctricas híbridas que incorporan las placas negativas elaboradas de estas formulaciones de expansor se caracterizan por disminuida acumulación de sulfato-plomo en la superficie de la placa negativa, resultando en incrementada vida de ciclo y/o mejorada eficiencia eleciroquímica . Baterías automotrices estándar que incorporan las placas negativas elaboradas de estas formulaciones e.pansoras resultan en mejoras considerables al ciclo de vida de las baterías, asi como capacidad de reserva y desempeño de arranque en frío.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La fabricación de placas de baterías para baterías de plon.o-ácido, en general involucra una operación de mezclado, ' curado y secado de pasta, en donde los materiales activos en la pasta de baterías se someten a cambios químico.: y físicos que se emplean para establecer la estructura química y física y subsecuente resistencia mecánica necesarias para formar la placa de baterías. Para producir placas de baterías típicas, se agregan materiales a máquinas de mezclado de pasta comerciales en el orden de óxido de plomo, agua y ácido sulfúrico, que después se mezclan a una consistencia de pasta. Dependiendo de si se producen placas negativas o positivas para las baterías, aditivos convencionales tales como expansor o floculante, también pueden €'.mplearse para modificar las propiedades de la pasta y el desempeño de las placas producidas. Pueden emplearse otros aditivos para mejorar la estructura y desempeño físico y químico de las placas de baterías, tales como el aditivo descrito en la Patente de los E.U.A. Número 7,118,830 otorgada a Boden et al., en- octubre 10, 2006, toda la descripción de la cual aquí se incorpora por referencia .

Las placas negativas de las baterías de plomo-ácido usualmente se producen al preparar una, pasta con un aditivo expansor, y después aplicar esta pasta de baterías a estructuras de aleación de plomo eléctricamente conductoras cor.ocidas como rejillas para producir las placas. Típicamente, estas placas empastadas después se curan en cámaras calentadas que contiene aire con alta humedad relativa. Este proceso de curado produce la estructura necesaria química y física requerida para subsecuente manejo y desempeño en la batería. Después de curado, las placas se secan utilizando . cualesquiera medios convenientes. E?;tas placas, que comprenden material activo negativo,1 después son adecuadas para utilizar en la batería.

El expansor, que usualmente es una mezcla de sulfato de bario, carbono y un lignosulfonato u otro material orgánico, se agrega al material activo de placa negativa durante preparación de la pasta. El expansor también puede incorporar otros ingredientes conocidos, tales como aserrín y carbonato de sodio, para mejorar el desempeño de la batería. Los materiales expansores pueden agregarse por separado a la pasta durante el proceso de mezclado de pasta, pero un procedimiento mejorado es mezclar los materiales constituyentes del expansor antes de agregarlos a la mezcla de pasta.

El expansor realiza una cantidad de funciones en la placa negativa, que se describirán brevemente. La función del sulfato de bario es actuar como un agente nucleante para sulfato de plomo producido cuando la placa se descarga.

Pb <? Pb2++ 2e Pb2+ + S042*? PbS04 El producto de descarga sulfato de plomo se deposita en las partículas de sulfato de bario asegurando una distribución homogénea a través del material activo y evitando revestimiento de las partículas de plomo. El término sulfate de bario representa tanto las formas sulfato de baric precipitado como baritas de este compuesto y sus mezclas en tamaños de partículas desde 0.5 a 5 micrómetros. Es conveniente que los cristales de sulfato de bario tengan un tamaño de partículas muy pequeño, del orden de 1 miera o menos, de manera tal que un número muy grande de cristales de semilla pequeños se implantan en el material activo negativo. Esto asegura que los cristales de sulfato de plomo, que crece en , los núcleos de sulfato de bario sean pequeños y de tamaño uniforme, de manera tal que se convierta fácilmente en material activo de plomo cuando la placa se carga.

PbS04*?Pb2+ + S042~ Pb2++2e?Pb El carbono aumenta la conductividad eléctrica del material, activo en el estado descargado, lo que mejora su aceptación de carga. El carbono usualmente esta en la forma de negro de carbón y/o carbón activado. La cantidad de carbón en el naterial activo negativo de formulaciones expansoras convencionales es solo una pequeña fracción de un por ciento.

; La fur.ción del lignosulfonato es más compleja. Se adsorbe 'químicamente en el material activo de plomo que resulta en un aumento significante en su área superficial. Sin lignosulfonato, el área superficial es del orden de aproximadamente 0.2 metro cuadrado por -gramo mientras que, con 0.50% de lignosulfonato, esto- se incrementa a aproximadamente 2 metros cuadrados por gramo. Esta alta área superfici.il aumenta la eficiencia del proceso electroquímico por el desempeño de la placa negativa. El lignosulfonato también estabiliza la estructura física del material · activo negativo, lo que retarda la degradación durante operación de la batería. Esta propiedad aumenta la vida útil de se::vicio de la batería. El material orgánico puede ser cualquier compuesto lignosulfonato u otro material orgánico conveniente que puede adsorberse en la superficie del material activo negativo y de esta manera afectar su área superficial y comportamiento electroquímico.

Baterías de plomo-ácido se emplean en una variedad de aplicaciones incluyendo automóviles, energía motriz industrial, tales como camiones montacargas, telecomunicaciones y sistemas de energía de reserva, es decir, baterías de suministro de energía ininterrumpible . Además, las baterías pueden ser de los diseños de electrolito inundado o regulado por válvula. Estas requieren diferentes proporciones de -los componentes de expansor ' y diferentes proporciones de adición al material activo para dar un óptimo desempeño y vida útil. De acuerdo con esto, los expansores pueden clasificarse en general de acuerdo con su cplicación, por ejemplo: ; automotriz, energía motriz industrial y energía de reserva industrial. También pueden subdivid:.rse para diseños de baterías inundadas y reguladas por válvulas. Ejemplos típicos formulaciones de expansor convencionales para las aplicaciones anteriormente mencionadas se ilustran en la Figura 1. : Un problema reconocido con los expansores es que las formulaciones expansoras convencionales anteriormente mencionadas no ¡>on efectivas, por ejemplo en las baterías empleadas en vehículos eléctricos híbridos. En esta solicitud, la batería se opera en una condición de estado-de-carga-parcial (PSOC = Partial-State-Of-Charge) que es una condición en donde nunca está totalmente descargada o completamente cargada. Bajo esta condición la placa negativa siempre se convierte parcialmente al sulfato de plomo que no se convierte a plomo por una carga completa periódica como en las baterías convencionales. La placa negativa también debe ser capaz de aceptar carga a muy altos niveles de corriente generada durante frenado regenerativo .

Se hci mostrado que, durante esta tipo de operación, se acumula sulfato de plomo en la superficie de la placa negativa, que actúa como una barrera al flujo de iones y corriente necesarios para cargar la placa. Consecuentemente, la capa de sulfato- de plomo aumenta progresivamente el espesor, resultando en una reducción o degradación en desempeño de la batería. Eventualmente, el desempeño declina a un punto en donde la batería no puede funcionar adecuadamente. Una representación de este fenómeno se muestra en la Figura 2. Este problema ha evitado que baterías de plomo-ácido se utilicen en vehículos eléctricos híbridos.

Consecuentemente, existe una necesidad para formulaciones expansoras mejoradas para pastas y placas de baterías, que sean efectivas para superar el problema de acumulación de sulfato-plomo durante operación de batería PSOC de alta velocidad, así como formulaciones expansoras mejoradas que proporcionan mejorada capacidad de batería, eficiencia, desempeño y vida útil para las baterías de plomo-ácido de diversos tipos. La presente descripción supera las desventajas anteriormente' identificadas y/o desventajas de sxpansores conocidos de la técnica previa, pastas de baterías y métodos para producir placas de baterías - negativas y proporciona mejora significante sobre estos.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La presente descripción ¦ se refiere a formulaciones expansoras mejoradas empleadas en composiciones de pastas de baterías para baterías de plomo-ácido. Las fornulaciones expansoras mejoradas incorporan cantidades efectivas de grafito o mezclas de negro de carbón y grafito. La concentración de la formulación expansora mejorada también se incrementa significativamente más allá de las cantidades previamente empleadas. Las placas de baterías negativas elaboradas a partir de pastas de baterías qu incorporan las formulaciones expansoras mejoradas, exhiben considerables mejoras en capacidad de batería, ' eficiencia, desempeño y una: vida útil de las baterías por igual. En baterías de vehículos híbridos eléctricos, las formulaciones expansoras mejoradas reducen o minimizan la acumulación de sulfato de plomo en la superficie de la placa negativa durante operación de batería PSOC de alta velocidad.

Específicamente, en baterías de plomo-ácido reguladas con válvulas para vehículos híbridos eléctricos, las formulaciones expansoras mejoradas incluyen aproximadamente 0.2% a 6% grafito o mezcla de carbón y grafito y de preferencia aproximadamente 1% a 5%. En particular, expansores mejorados que tienen aproximadamente 1% a 3% grafito se prefieren. En forma óptima, los expansores mejorados tienen aproximadamente l%-2% de negro de carbón y aproximadamente 1% a 3% grafito, con aproximadamente 2% de negro de carbón y aproximadamente 2% grafito que se prefiere más.

¦ En baterías de plomo-ácido para uso automotriz estándar,, espec Lficamente para baterías automotrices de electrolito irundado, las formulaciones expansoras mejoradas incluye aproximadamente 0.3% a 1.1% grafito o mezcla de carbón y grafito, y de preferencia incluyen 0.3% a 1.0% grafito.

De acuerdo con esto, un objeto de la presente descripción es proporcionar formulaciones expansoras mejoradas que incorporan cantidades efectivas de grafito o mezclas de negr^ de carbón y grafito en concentraciones incrementadas.

Otro objeto de la presente descripción es proporcionar una composición de pasta de baterías que incorpora una formulación expansora mejorada que exhibe mejoras considerables en capacidad de batería, eficiencia, desempeño y/o ciclo de vida de baterías de plomo-ácido.

Todavía en otro objeto de la presente descripción es proporcionar baterías de plomo-ácido para vehículo eléctrico híbrido con placas negativas que tienen acumulación de sulfato-plomo significativamente disminuida en la superficie de la placa negativa durante carga de alta velocidad con operación parcial-de-estado-de carga, resultando en vida de ciclo y eficiencia electroquímica mejoradas.

-' Todavía otro objeto de la presente descripción es proporcionar baterías de plomo-ácido automotrices estándar con placas negativas que proporcionan .desempeño eléctrico mejorado ' a expansores convencionales en pruebas industriales de batería estándar, por ejemplo pruebas de Amperes de Arranque en Frío, pruebas de Capacidad de Reserva y pruebas de ciclo SAE J240.

Numerosos otros objetos, 'características y ventajas ' de la presente invención serán fácilmente aparentes de la descripción detallada y las reivindicaciones siguientes.

BRJSVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La E'IGURA 1 es una tabla que ilustra formulaciones e.ípansoras convencionales y proporciones de adición para las placas negativas de diversas baterías de plomo-ácido .

La FIGURA 2 es una ilustración de acumulación de sulfato-plomo er. la superficie de una placa negativa de una batería de plomo-ácido para un vehículo eléctrico híbrido durante carga de alta velocidad con operación PSOC .

La FIG!URA 3 es una tabla que ilustra ejemplos de formulaciones expansoras mejoradas para' baterías de plomo-ácido reguladas por válvulas para vehículos eléctricos híbridos.

; Las FIGURAS 4-8 son diagramas que ilustran la vida de ciclo de celdas de batería con mejoradas formulaciones expansoras de los Ejemplos 1-5 de la Figura 3, respectivamente.

La Figura 9 es un diagrama que ilustra el ciclo de vida de celdas de batería con una formulación expansora convencional para baterías de plomo-ácido reguladas por válvulas.

La Figura 10 es una imagen de microsonda de electrones de la sección transversal de la placa de baterías negativa con expansor convencional.

La Figura 11 es una imagen de microsonda de electrones de La sección transversal' de una placa de baterías negativa con expansor del Ejemplo 1 de la Figura 3.

La E'igura 12 es una tabla que ilustra la eficiencia electroquímica de material activo negativo con un expansor convencional y las formulaciones de expansor mejoradas de los Ejemplos 1-5 de la Figura 3.

La Figura 13 es una tabla que ilustra ejemplos de formulaciones expansoras mejoradas: para baterías de electrolito plorro-ácido inundadas automotrices estándar.

La Fi.gura 14 es una tabla que ilustra datos de capacidad de reserva y de prueba de arranque en frío en baterías del Grupo 27 y del Grupo 31 que contienen un expansor · convenc ional y el expansor mejorado del Ejemplo 6 de la Figura 13.

La Fi.gura 15 es una tabla que ilustra datos de prueba de vida útil de baterías en baterías del Grupo 27 que contienen un expansor convencional y el expansor mejorado del Ej smplo 6 de la Figura 13 de una prueba de Ciclos de Vida Útil SAE J240 a cuarenta y un grados Celsius (41°C) .

La Figura 16 es una tabla que ilustra datos de capacidad de reserva y prueba de arranque en frío en baterías del Grupo 24 que contienen un expansor convencional y el expansor mejorado del Ejemplo 7 de la Figura 13.

DESCRIPCI N DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA Mientras que la presente descripción es susceptible a modalidades en muchas formas diferentes, se describirá aquí en detalle modalidades preferidas y alternas de la presente descripción. Habrá de entenderse sin embargo que la presente descripción habrá de considerarse como una ej emplificación de los principios de la invención y no se pretende que limite el alcance y espíritu de le invención y/o reivindicaciones de las modalidades ilustradas. : A manera de ilustración, se describirán aquí siete ejemplos de formulaciones expansoras mejoradas de la presente descripción. Los Ejemplos ;l-5 son para las baterías¦ de vehículo eléctrico híbrido y se ilustran con respecto a las Figuras 3-12. Los Ejemplos 6-7 son para baterías automotrices estándar, y se ilustran con respecto a las Figuras 1.3-16. Habrá de entenderse que adicionales ejemplos serán evidentes a una persona con destreza ordinaria en la técnica a partir de la- descripción que se proporciona aquí. También habrá de entenderse que la presente '¦ descripción es aplicable a cualquier tipo de baterías que utilizan un expansor en la mezcla de pasta de baterías para formar las placas de baterías negativas.

Los siete ejemplos de -formulaciones expansoras mejoradas de la presente descripción se ilustran en las Figuras 3 y 13. Cada uno de estos ejemplos se discute a continuación .

Ejemplo 1.

El Ejemplo 1 ilustra un ejemplo de un aditivo expansor efectivo que tiene la composición de 8 kg de sulfato de bario, 6 kg de lignosulfonato, de preferencia lighosulfonato de sodio, 20 kg de negro de carbón y 20 kg de grafito. Cuando se agrega a un lote de pasta negativa típico producida a partir de 1000 kg ;de óxido de plomo, esto produce una placa negativa con 0.8% de sulfato de bario, 0.6% de lignosulfonato de sodio, 2.0% de negro de carbón y 2.0% de grafito, es decir 4% de mezcla de negro de carbón y grafito. Todos los porcentajes anteriormente mencionados son del óxido empleado en el lote de pasta. Habrá de- entenderse que esta es una composición ejemplar preferida y que: otras cantidades y proporciones también producirán los resultados benéficos de la presente, descripción.

; Las celdas de baterías de plomo-ácido que tienen una capacidad de 1.74 Ampere-horas se elaboraron a partir de placas negativas utilizando esta formulación expansora del Ejemplo 1, y compararon con celdas que utilizan una mezcla expansora convencional que comprende 8 kg de sulfato de bario, 3 kg ce lignosulfonato y 1 kg de negro de carbón. Las celdas se probaron de acuerdo con un programa de prueba de vehículo eléctrico híbrido simulado que comprende una descarga a 3.48 Amperes por un minuto seguida por un periodo de reposo de 30 segundos, que después es seguido por una carga de 3.48 Amperes por 1 minuto seguido por un período de reposo de 30 segundos. Una secuencia de prueba se designa como un ciclo. Esta secuencia se repite hasta que las celdas fallan. Un resultado de prueba típico para el expansor del Ejemplo 1 se ilustra :en la Figura 4. El expansor mejorado dio 180,058 ciclos, mientras que el expansor convencional anteriormente descrito fue capaz de sólo 23,477 ciclos (ver Figura 9).

Ejemplo 2.

El Ejemplo 2 ilustra otro ejemplo de un aditivo efectivo que t:.ene una composición 8 kg de sulfato de bario, 2 kg de lignosulfonato, de preferencia lignosulfonato de sodio, y 20 kg de grafito. Cuando se agrega a un lcte de pasta negativa típica producida a partir de 1000 kg de óxido de plomo, esto produce una placa negativa con 0.8% de sulfato de bario, 0.2% de lignosulfonato de sodio y 2.0% de grafito. Todos los porcentajes anteriormente mencionados son del óxido empleado en el lote de pasta. Habrá de entenderse que esta es una composición ejemplar preferida y que otras cantidades y proporciones también producirán los resultados benéficos de la presente descripción.

Las celdas de baterías de plomo-ácido que tienen una capacidad de 1.74 Amperes-horas se elaboraron a partir de placas negativas utilizando esta formulación expansora del Ejemplo 2, y compararon con celdas que utilizan la mezcla expansora convencional descrita anteriormente con respecto al Ejemplo 1. Las celdas se probaron de acuerdo con el programa de prueba de vehículo eléctrico híbrido simulado descrit.o anteriormente con respecto al Ejemplo 1. Un resultado de prueba típico para expansor del Ejemplo 2 se ilustra en la Figura 5. Este expansor mejorado dio 224,499 -ciclos, mientras que el expansor convencional anteriormente descrito fue capaz de sólo 23,477 ciclos (ver Figura 9) .

Ejemplo 3.

El Ejemplo 3 ilustra todavía otro ejemplo de un aditivo expansor efectivo que tiene la composición 8 kg de sulfato de bario, 2 kg de lignosulfonato, de preferencia lignosulfonato ele sodio, 20 kg de negro de carbón y 20 kg de grafito. Cua.ido se agrega a un lote de pasta negativo típico producido a partir de 1000 kg de óxido de plomo, esto produce ur.a placa negativa con 0.8% de sulfato de bario, 0.2% de lignosulfonato de sodio, 2.0% de negro de carbón y '2.0% de grafito, es decir 4% de mezcla de negro de carbón y grafito. Todos los porcentajes anteriormente mencionados son del óxido empleado en. el lote de pasta.

Habrá de entenderse que esta es una composición ejemplar preferida y que otras cantidades y proporciones también producirán los resultados benéficos de la . presente descripción .

Las celdas de baterías de plomo-ácido que tienen una capacidad d= 1.74 Ampere-horas se elaboraron a partir de placas negativas utilizando esta formulación expansora del Ejemplo 3, y compararon con celdas que utilizan la mezcla expansora convencional descrita anteriormente con respecto al Ejemplo 1. Las celdas se probaron de acuerdo con ' el programa de prueba de vehículo eléctrico híbrido simulado descrit.o anteriormente con respecto al Ejemplo 1. Un resultado de prueba típico para el expansor del Ejemplo 3 se ilustra en la Figura 6. El expansor mejorado dio 191,225 ciclos, mientras que el expansor convencional anteriormente descrito fue capaz de sólo 23,477 ciclos (ver Figura 9) .

Ejemplo 4.

El Ejemplo 4 ilustra todavía otro ejemplo de un aditivo expansor efectivo que tiene la composición: 8 kg de sulfato de bario, 2 kg de lignosulfonáto, de preferencia lignosulfonato c!e sodio, 10 kg de negro de carbón y 10 kg de grafito. Cuando se agregan a un lote de pasta negativa típica producida a partir de 1000 kg de óxido de plomo esto resulta en una placa negativa con 0.8% de sulfato de bario, 0.2% de lignosiL.fonato de sodio, 1.0% de negro de carbón y 1.0% de grafito, es decir 2% de mezcla de negro de carbón y grafito. Todos los porcentajes anteriormente mencionados son del óxido empleado en el lote de pasta. Habrá de entenderse que e:sta es una composición ejemplar preferida y que otras cantidades y proporciones también producirán los resultados benéficos de la presente descripción.

Las celdas de baterías de plomo-ácido que tiene una capacidad de 1.74 Amperes-horas se elaboraron a partir de placas negativas utilizando esta formulación expansora de la Figura <, y compararon con celdas utilizando la mezcla expansora convencional descrita anteriormente con respecto al Ejemplo 1. Las celdas se probaron de acuerdo con el programa de prueba de vehículo híbrido eléctrico simulado descrito anteriormente con respecto al Ejemplo 1. Un resultado de prueba típico se muestra en la Figura 7. El expansor mejorado dio 123,319 ciclos, mientras que el expansor convencional anteriormente descrito fue capaz de sólo 23,477 ciclos (ver Figura 9).

Ejemplo 5.

; El Ejemplo 5 ilustra todavía otro ejemplo de un aditivo expansor efectivo que tiene una composición 8 kg de sulfato de bario, 2 kg del lignosulfonato de sodio, 20 kg de negro de carbón y 30 kg de grafito. Cuando se agrega a un lote de pasta negativa típica producida a partir de 1000 kg de óxido de plomo esto produce una placa negativa con 0.8% de sulfato de bario, 0.2% de lignosulfonato de sodio, 2.0% de negro de carbón y 3.0% de grafito, es decir una mezcla de 5% de negro de carbón y grafito. Todos los porcentajes anteriormente mencionados son del óxido empleado en el !.ote de pasta. Habrá de entenderse que esto es , una composición ejemplar preferida y que otras cantidades y preporciones también producirán los resultados benéficos de la presente descripción.

Celdas de baterías de plomo-ácido que tienen una capacidad de 1.74 Amperes-horas se elaboraron a partir de placas negativas utilizando esta formulación expansora del Ejemplo 5, y compararon con celdas que utilizan la mezcla expansora convencional descrita anteriormente con respecto al Ejemplo 1. Las celdas se probaron de acuerdo con el programa de prueba de vehículo eléctrico híbrido simulado descrito anteriormente con respecto al Ejemplo 1. Un .resultado de prueba típico para el expansor del Ejemplo 5 se muestra en la Figura 8. El expansor mejorado dio 106,803 ciclos, mientras que el expansor convencional anteriormente descrito fue capaz de sólo 23,477 ciclos (ver la Figura 9) .

Estos Ejemplos 1-5 .muestran que los expansores mejorados aumentan la vida útil de las celdas de baterías de plomo-ácido por hasta un factor de más de 9 veces. El examen de la morfología de las placas de baterías negativas hecho con estos aditivos expansores mejorados muestra que son muy efectivos para superar la acumulación de sulfato de plomo en la superficie de la placa negativa y por el contrario producen una distribución homogénea de sulfato de plomo a través del material activo negativo. Esto se ilustra en las E'iguras 10 y 11 que muestran la distribución de sulfato de piorno en placas de baterías negativas que se han sometido a ciclo con el expansor convencional anteriormente descrito (ver la Figura 10) y con el aditivo expansor¦ mejorado del Ejemplo 1 (ver Figura 11). El área clara de la Figura 10 muestra la presencia de sulfato de plomo en la supsrficie de la placa después de carga (1479 ciclos) , mientras que la placa mostrada en la Figura 11, después de más c.el doble de ciclos (3596), muestra muy poco sulfato de plome después de carga.

Las formulaciones expansoras mejoradas de los Ejemplos 1-4 tanbién aumentan la eficiencia electroquímica del proceso de carga y descarga de baterías de plomo-ácido. Esto se mide como la cantidad de electricidad que pueda obtenerse de un gramo del material activo en las placas y usualmente se mide en unidades de miliamperes-horas por gramo de mateVial activo. La Figura 12 muestra una comparación de La eficiencia electroquímica de las celdas de plomo-ácido utilizando el expansor convencional y los expansores mejorados. Puede verse que los expansores mejorados de los Ejemplos 1-4 resultan en una mejora porcentual de hasta 18%.

Como puede verse en la Figura 12, con respecto al Ejemplo 5, pueden elaborarse formulaciones expansoras mejoradas que tienen grafito que tienen menores eficiencias electroquímicas que el expansor convencional, sin embargo todavía tienen mucha vida útil de ciclo mejorada en pruebas de vehículos híoridos (ver Figura 8). La menor eficiencia electroquímica del Ejemplo 5 se debe al desplazamiento del material : activo por la alta carga del aditivo de negro de carbón/grafito.

A manera de ejemplos adicionales, Ejemplos 6 y 7, ver Figura 13, formulaciones expansoras mejoradas que tienen grafito también son efectivas; en baterías para aplicaciones de arranque de motor, tales como en baterías de electrolitos inundados para automóviles estándar, tales como baterías cíe ? Grupo 24, Grupo 27 y Grupo 31. Estos números :de Grupos se refieren al tamaño de baterías y designan el tipo empleado en un vehículo particular. El Grupo 24' corresponde a una batería automotriz de servicio regular típico. El Grupo 27 corresponde a una batería automotriz de servicio pesado típico. El Grupo 31 corresponde a una batería de camión de servicio pesado típico que se utiliza en tractocamiones.

Ejemplo 6.

El Ejemplo 6 ilustra un ejemplo de un aditivo expansor efectivo, para baterías automotrices estándar que tiene la composición de 6 kg de sulfato de bario, 2 kg de lignosulfonato, de preferencia lignosulfonato de sodio,' 1 kg de negro de carbón y 10 kg de grafito. Cuando se agregan a un lote de pasta negativa típica producida a partir de 1000 kg de óxido de plomo, esto produce una placa negativa con 0.6% de sulfato de bario, 0.2% de lignosulfonato de sodio, 0.1% de negro de carbón y 1.0% de grafito, es decir una mezcla 1.1% de negro de carbón y grafito. Todos los porcentajes anteriormente mencionados son del óxido empleado en el ..ote de pasta. Habrá de entenderse que esta es una : composición ejemplar preferida y que otras cantidades y proporciones también producirán los resultados benéficos de la presente descripción.

Baterías para arranque, iluminación e ignición automotriz estándar de los tipos Grupo 27 y Grupo 31 se elaboraron con electrodos negativos ' que contienen un expansor convencional que contiene 0.546% de sulfato de bario, 0,225% de lignosulfonato, 0.084% · aserrín y 0.136% de negro de carbón. Un segundo grupo se construye con un expansor mejorado que contiene los mismos aditivos y con la adición de 10 kg o 1.0% de grafito (Ejemplo 6). Los dos grupos se probaron de acuerdo con las pruebas de capacidad de reserva y de arranque en frió Internacionales del Consejo de Baterías (Battery Council International Cold cranking and reserve capacity tests) . Los resultados se muestran en la Figura 14. La capacidad de reserva y el desempeño de arranque en frío se mejoraron en ambos tipos de baterías que tienen el expansor mejorado del Ejemplo 6.

Adicicnalmente, las baterías del Grupo 27 también se sometieron a una prueba de vida -útil utilizando el procedimiento de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE = Societ of Automotive Engineers) J240 a una temperatura de <;1 grados C/105 grados F. Los resultados de esta prueba se :.lustran en la Figura 15. Como puede verse, el ciclo de vide SAE J240 se mejoró en la batería del Grupo 27 que tiene el expansor mejorado del Ejemplo 6.

Ejemplo 7.

Ejemplo 7 ilustra un ejemplo de un aditivo expansor efectivo, para baterías automotrices estándar, que tiene la composición de 6 kg de sulfato de bario, 3 kg de lignosulfonato, de preferencia lignosulfonato de sodio y 3 kg de grafito. Cuando se agrega a un lote de pasta negativa típica producido a partir de 1000 kg de óxido de plomo, esto produce ur.a placa negativa con 0.6% de sulfato de bario, 0.3% de lignosulfonato de sodio, y 0.3% de grafito. Todos de los porcentajes anteriormente mencionados son del óxido empleado en el lote de pasta. Habrá de entenderse que esta es una composición ejemplar preferida y que otras cantidades y proporciones también producirán los resultados benéficos de la presente descripción.

Baterías para arranque, iluminación e ignición automotriz estándar de los tipos Grupo 24 se elaboraron con electrodos negativos, que contienen un expansor convencional, que contiene 0.546% de sulfato de bario, 0.225% de lignosulfonato, 0.084% de aserrín y 0.136% de negro de carbón. Un segundo grupo se construye con un expansor mejorac.o que contiene los mismos aditivos y con la adición de 3kg 0.3% grafito (Ejemplo' 7). Los dos grupos se probaron de acuerdo con las pruebas de capacidad de reserva ÷ y arranque en frío del Battery Council International. Los resultados se ilustran en la Figura 16. La capacidad de reserva y el desempeño de arranque en frío se mejoraron en el material de Grupo 24 que tiene el expansor ;mej orado del Ejemplo 7.

En general, los expansores mejorados de la presente¦ descripción contienen sulfato de bario, lignosulfonato y concentraciones elevadas de negro de carbón y/o grafito. Expansores para baterías de plomo-ácido reguladas con válvulas para vehículos eléctricos híbridos que contienen aproximadamente 0.2% a 6%, y de preferencia 1% a 5%, de cualquiera de negro de carbón y/o grafito o mezclas de estos materiales, son efectivas. De preferencia, estos expansores mejorados incluyen aproximadamente 1% a 3% de grafito. En forma óptima, estos expansores mejorados incluyen tanto negro de carbón como grafito, en los intervalos de aproximadamente 1% a 2% de negro de carbón y aproximadamente 1% a 3% de grafito,' y más preferible aproximadamente 2% de negro de carbón y 2% de grafito.

Expansores para baterías de plomo-ácido automotrices estándar que contienen aproximadamente 0.3% a 1.1% ya sea de negro de carbón y/o grafito' o mezclas de estos materiales, son efectivos. De preferencia, estos expansores mejorados incluyen aproximadamente 0.3% a 1.0% de grafito.

Habrá de reconocerse que estas fórmulas representan intervalos generales para mezclas de expansores y para concentraciones de sus componentes en el material activo negativo y no se pretende que limiten el espíritu o alcance de la presente descripción. · También habrá de comprenderse que otros materiales tales como aserrín y carbonato de sodio pueden agregarse a los expansores mejorados de la presente descripción sin cambiar materialmente 6:1 espíritu o alcance de la presente descripción.

La anterior especificación . describe solo la modalidad preferida y modalidades alternas de la descripción. Ot as modalidades además de las anteriores pueden articularse por igual. Los términos y expresiones por lo tanto sirven solo para ilustrar la descripción solo a manera de ejemplo y no para limitar la misma. Se espera que otros perciban diferencias, que mientras difieren de lo anterior, no s. apartan del espíritu y alcance de la descripción aquí ilustrada y reivindicada.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un expansor para una pasta de baterías, para una placa de baterías de una batería de plomo-ácido, caracterizado porque comprende: sulfato de bario; una concentración elevada de carbón y/o grafito; y un material orgánico^

2. i:i expansor de conformidad con la reivindicación ], caracterizado porque el material orgánico es un lignosulfcnato . :

3. 111 expansor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito es aproximadamente 0.2% a 6% de un cantidad de óxido empleado en la pasta de baterías para una placa de baterías de una batería de plomo-ácido para vehículos eléctricos híbridos.

4. Ell expansor de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito es aproximadamente 1% a 5%.

5. E',1 expansor de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la concentración elevada de carb n y/o grafito incluye aproximadamente 1% a 3% de grafito.

6. El expansor de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito incluye aproximadamente 1% a 2% de negro de carbón.

7. 111 expansor de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la concentración elevada de cartón y/o grafito incluye aproximadamente 2% grafito y aproximadamente 2% de negro de carbón.

8. El expansor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración elevada de cartón y/o grafito es aproximadamente 0.3% a 1.1% de una cantidad de óxido empleado en la pasta de baterías para una placa de baterías de o una batería de plomo-ácido autcmotriz de electrolito inundado.

9. El expansor de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito incluye aproximadamente 0.3% a 1.0% de grafito.

10. El expansor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración elevada de carbím y/o grafito disminuye la acumulación de sulfato de plomo en la superficie del material activo negativo en la hatería de plomo-ácido.

11. El expansor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración elevada de carbím y/o grafito aumenta al menos uno de la eficiencia electroquímica, la capacidad de reserva, el desempeño de arranque en frío y la vida de ciclo útil de la batería de plome-ácido.

12. Lna pasta de baterías que incorpora el expansor de conformidad con la reivindicación 1.

13. Una placa de baterías elaborada a partir de la pasta de baterías de conformidad con la reivindicación 12.

14. Un método para producir una pasta, de baterías para una placa de baterías de una batería de plomo-ácido, caracterizado porque comprende las etapas de: formular una mezcla de pasta para baterías; agregar a la mezcla de pasta de baterías, en forma separada o pre-mezclada, sulfato de bario, un material orgánico, y una concentración elevada de carbón y/o grafito.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el material orgánico es un lignosulfonato .

16. El método de conformidad con la reivindicación L4, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito es aproximadamente 0.2% a 6% de una cantidad de óxido empleado en la pasta de baterías para una' placa de baterías de una batería de plomo-ácido, para vehículos eléctricos híbridos.

17. El método de conformidad con la reivindicación L5, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito es aproximadamente 1% a 5%.

18. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito incluye aproximadamente 1% a 3% de grafito.

19. El método de conformidad con la reivindicación L8, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito incluye aproximadamente 1% a 2% de negro de carbón.

20. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito incluye aproximadamente 2% grafito y aproximadamente 2% de negro de carbón.

21. El método de conformidad con la reivindicación L4, caracterizado porque la concentración elevada de cartón y/o grafito es aproximadamente 0.3% a 1.1% de una cantidad de óxido empleado en la pasta de baterías para una placa de baterías de. una batería plomo-ácido automotriz de electrolito inundado.

22. El expansor de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la concentración elevada de carbón y/o grafito incluye aproximadamente 0.3% a 1.1% de grafito. ;

23. Ura placa de baterías elaborada a partir del método de conformidad con la reivindicación 14.

24. Una batería una batería elaborada a partir de placas de baterías de conformidad con la reivindicación 23.