MX2012013894A

MX2012013894A - Separador para bateria de plomo-acido.

Info

Publication number: MX2012013894A
Application number: MX2012013894A
Authority: MX
Inventors: Gordon C Beckley; Marvin C Ho
Original assignee: Trojan Battery Co
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2013-02-21
Also published as: EP2586082A1; WO2011163489A4; EP2586082A4; CN102959763A; WO2011163489A1; EP2586082B1; TW201222939A; US20110318629A1

Abstract

Se proporcionan separadores para baterías de plomo-ácido, y baterías de plomo-ácido que incluyen los mismos. El separador incluye una primera capa hecha de un material de caucho y una segunda capa hecha de un material de polímero.

Description

SEPARADOR PARA BATERIA DE PLOMO-ACIDO Campo de la Invención La presente invención se refiere a un separador para una batería electromecánica de plomo-ácido inundada o húmeda .

Antecedentes de la Invención Una betería de plomo-ácido inundada típica incluye placas positivas y negativas separadas mediante separadores porosos y sumergidas en un electrólito. Los materiales activos positivos y negativos se fabrican como pastas que están revestidas sobre las redes de electrodo positivo y negativo, respectivamente, formando placas positivas y negativas. Las redes de electrodo, aunque están principalmente construidas de plomo, frecuentemente se alian con antimonio, calcio, o estaño para mejorar sus características mecánicas. El antimonio es generalmente material de aleación preferida para baterías de descarga profunda. Las pastas de material activo positivo y negativo generalmente comprenden óxido de plomo (PbO u óxido de plomo (II) ) . El electrólito típicamente incluye una solución ácida acuosa, muy comúnmente ácido sulfúrico (H2S04) . Una vez que se ensambla la batería, la batería se somete a un paso de formación en el cual se aplica una carga a la batería con el fin de convertir el óxido de plomo de las placas positivas a Ref . : 237431 dióxido de plomo (Pb02 u óxido de plomo (IV) y el óxido de plomo de las placas negativas a plomo (Pb) .

Después del paso de formación, una batería puede descargarse y cargarse repetidamente en la operación. Durante la descarga de batería, los materiales activos positivos y negativos reaccionan con el ácido sulfúrico del electrólito para formar sulfato de plomo (II) (PbS04) . Mediante la reacción del ácido sulfúrico con los materiales activos positivos y negativos, se consume una porción del ácido sulfúrico del electrólito. Sin embargo, bajo condiciones normales, el ácido sulfúrico regresa al electrólito durante la carga de batería. La reacción de los materiales activos positivos y negativos con el ácido sulfúrico del electrólito durante la descarga puede representarse por las siguientes fórmulas.

Reacción en el electrodo negativo: Pb(s) + S02" (aq) ·<·?· PbS04(s) + 2e" Reacción en el electrodo positivo: Pb02(s) + S042"(aq) + 4H+ + 2e" <?· PbS04(s) + 2H20(1) Como se muestra por estas fórmulas, durante la descarga, se genera energía eléctrica, haciendo a la batería de plomo-ácido inundada una fuente de energía adecuada para muchas aplicaciones. Por ejemplo, las baterías de plomo-ácido inundadas pueden utilizarse como fuentes de energía para vehículos eléctricos tal como montacargas, carritos de golf, automóviles eléctricos, y automóviles híbridos. Las baterías de plomo-ácido inundadas también se utilizan para suministros de energía de emergencia o de reserva, o para almacenar energía generada mediante sistemas fotovoltaicos .

Durante la operación de la batería de plomo-ácido inundada que utiliza una red de electrodo aliada con antimonio, el antimonio puede exiliarse o migrar fuera de la red de electrodo. Una vez que el antimonio se deposita sobre la superficie del electrodo negativo, cambiará el potencial de electrodo negativo y causará que la batería se sobrecargue fácilmente durante la aplicación. Esto acortará indeseablemente la vida de la batería. El caucho es conocido por ser una barrera efectiva para prevenir o retrasar que el antimonio se lixivie del electrodo positivo al electrodo negativo. Por consiguiente, algunos separadores para baterías de plomo-ácido inundadas incluyen una estera del vidrio (es decir, una estera de fibra de vidrio) contra el electrodo positivo y una lámina de caucho porosa entre la estera de vidrio y el electrodo negativo. Sin embargo, cuando se sumerge en el electrólito ácido de una batería de plomo-ácido inundada, una lámina separadora de caucho puede oxidarse y agrietarse. Cuando un separador de caucho se agrieta, pueden crecer dendritas de plomo desde el electrodo negativo hacia positivo, causando de esa forma que la batería haga cortocircuito. Por consiguiente, algunos han propuesto utilizar láminas de caucho más gruesas para baterías de plomo-ácido. Sin embargo, esto aumenta el costo de los separadores, aumenta la resistencia interna, y adicionalmente, no previene que la lámina separadora de caucho se oxide y se divida.

Debido al costo del caucho, algunos fabricantes han abandonado el uso de caucho del todo, a su vez, prefieren utilizar un separador de polímero para baterías de plomo-ácido inundadas. Un separador de polímero es mucho más fuerte que un separador de caucho, y de esa forma no tiende a dividirse cuando se utiliza en una batería de plomo-ácido inundada. Tal separador puede prevenir los cortocircuitos causados por crecimiento de dendrita de plomo, pero no previene la migración de antimonio. De esa forma, las baterías que utilizan únicamente un separador de polímero tienen vida de batería acortada.

Alternativamente, algunos han intentado hacer y utilizar un separador de caucho y polímero mezclado. Tales separadores generalmente incluyen una matriz de polímero porosa rellena con caucho. Se creía que estos separadores mezclados tendrían resistencia mejorada y prevendrían que el antimonio se transfiriera al electrodo negativo. Aunque tales separadores son más fuertes que el caucho solo, y adicionalmente pueden prevenir alguna lixiviación de antimonio, permiten más transferencia de antimonio que un separador de caucho solo. Por consiguiente, debido a la lixiviación de antimonio, las baterías de plomo-ácido inundadas que utilizan un separador de polímero de caucho-polímero mezclado tienen una vida de batería reducida.

Sumario de la Invención Una modalidad de la presente invención está dirigida a un separador para una batería de plomo-ácido de descarga profunda inundada. El separador incluye una primera capa hecha de un material de caucho, una capa de caucho, y una segunda capa hecha de un material de polímero, una capa de polímero.

En modalidades de la presente invención, el material de caucho puede ser caucho natural y el material de polímero puede ser polietileno, cloruro de polivinilo, o poliéster.

En modalidades de la presente invención, la capa de caucho puede tener una red de respaldo que tiene un primer lado y un segundo lado, el primer lado es plano y el segundo lado tiene una pluralidad de rebordes extendiéndose desde el mismo. En modalidades de la presente invención, el separador además puede incluir una estera de vidrio. La estera de vidrio puede ser adyacente a la pluralidad de rebordes y la capa de polímero puede ser adyacente al primer lado.

En modalidades de la presente invención, la capa de polímero puede proporcionarse como una cubierta adaptada para contener y rodear un electrodo.

En modalidades de la presente invención, la capa de polímero puede incluir una red de respaldo que tiene un primer lado y un segundo lado, el primer lado es plano y el segundo lado tiene una pluralidad de rebordes extendiéndose desde el mismo. Una estera de vidrio puede ser adyacente a la pluralidad de rebordes de la capa de polímero y la capa de caucho puede ser adyacente al primer lado.

En modalidades de la presente invención, la capa de caucho puede incluir caucho espumado. La capa de caucho puede ser adyacente a la pluralidad de rebordes de la capa de polímero .

Breve Descripción de las Figuras Las figuras anexas, junto con la descripción, ilustran varios aspectos y modalidades de la invención: la Figura 1 es una vista seccional esquemática de una batería de plomo-ácido de descarga profunda inundada de conformidad con una modalidad de la presente invención; la Figura 2 es una vista esquemática de un separador de conformidad con una modalidad de la presente invención y la Figura 2A es una vista ampliada de la Figura 2; la Figura 3 es una vista esquemática de un separador de conformidad con una modalidad de la presente invención y la Figura 3A es una vista ampliada de la Figura 3; la Figura 4 es una vista esquemática de un separador de conformidad con una modalidad de la presente invención; la Figura 4A es una vista ampliada de la Figura 4; la Figura 5 es una vista esquemática de un separador de conformidad con una modalidad de la presente invención; y la Figura 5A es una vista ampliada de la Figura 5.

Descripción Detallada de la Invención De conformidad con una modalidad de la invención, un separador para una batería de plomo-ácido inundada incluye una primera capa y una segunda capa. La primera capa puede estar hecha de un material de caucho. La segunda capa puede estar hecha de un material de polímero. La capa de caucho puede prevenir o reducir la transferencia de antimonio, mientras la capa de polímero puede prevenir cortocircuitos causados por el crecimiento de dendrita de plomo.

En una modalidad, como se muestra esquemáticamente en la Figura 1, una batería de plomo-ácido de descarga profunda inundada 10 de celda individual incluye una pluralidad de redes de electrodo positivo 12 y una pluralidad de redes de electrodo negativo 14. Cada red de electrodo positivo está revestida con una pasta de material activo positivo 16 para formar una placa positiva. Cada red de electrodo negativo 14 está revestida con una pasta de material activo negativo 18 para formar una placa negativa. Las redes de electrodo positivo y negativo revestidas se disponen en una pila alterna dentro de una caja para baterías 22 que utiliza una pluralidad de separadores 24 para separar cada red de electrodo de redes de electrodo adyacentes y prevenir cortocircuitos. Un recolector de corriente positiva 28 conecta las redes de electrodo positivo y un recolector de corriente negativa 26 conecta las redes de electrodo negativo. Una solución de electrolito 32 llena la caja para baterías. Los bordes de batería positivos y negativos 34, 36 se extienden desde la caja para baterías para proporcionar puntos de contacto eléctrico externos utilizados para cargar y descargar la batería. La caja para batería incluye una ventilación 42 para permitir que se ventile el gas excedente producido durante el ciclo de carga a la atmósfera. Una tapa de ventilación 44 previene que el electrólito se derrame de la caja para batería. Aunque se ilustra una batería de celda individual, debe estar claro para un experto en la técnica que la invención puede aplicarse a baterías de múltiples celdas también.

Polímeros adecuados para la capa de polímero incluyen polietileno, cloruro de polivinilo, polipropileno, copolímeros de etileno y propileno, resina de fenol formaldehído (PF) , poliéster, copolímeros de estireno y butadieno, copolímeros de un nitrilo y butadieno, y polímeros con base en celulosa. La capa de polímero debe ser suficientemente porosa para permitir que el electrólito sea capaz de transferirse a través de la capa hacia el electrodo negativo. En una modalidad ilustrativa, se utiliza polietileno para la capa de polímero. Cauchos adecuados para la capa de caucho incluyen caucho natural, caucho sintético (isopreno) , y caucho de monómero de etileno propileno dieno (EPDM, por sus siglas en inglés) . Como se conoce en la técnica, la capa de caucho puede estar parcialmente entrelazada mediante una unidad de electrón. Utilizando este tratamiento o uno similar, puede formarse una capa de caucho porosa. La capa de caucho debe ser suficientemente porosa para permitir que el electrólito sea capaz de transferirse a través de la capa hacia el electrodo negativo. En una modalidad ilustrativa, la capa de caucho incluye caucho natural .

Como se muestra en las Figuras 2 y 2A, una modalidad de la presente invención incluye un separador 124 que tiene una capa de caucho 140 y una capa de polímero 150. La capa de caucho 140 incluye una red de respaldo 142 y costillas 144. Las costillas 144 forman canales 146 que permiten que el electrólito fluya y el gas escape durante la carga de la batería. La modalidad mostrada en las Figuras 2 y 2A también incluye una capa de refuerzo 160. La capa de refuerzo puede ser un material tal como estera de vidrio (es decir, estera de fibra de vidrio) o fibras de poliéster. La tapa de refuerzo 160 refuerza un electrodo adyacente y previene que el material activo del electrodo adyacente se expanda dentro de los canales 146. En una batería de plomo-ácido inundada, las costillas 144 generalmente se orientan hacia el electrodo positivo. La inclusión de la capa de caucho 140 previene sustancialmente la transferencia de antimonio desde la red de electrodo positivo hacia el electrodo negativo, y de esa forma sustancialmente previene o reduce envenenamiento por antimonio. Esto es verdadero incluso si la capa de caucho 140 se agrieta o se divide debido a degradación. La capa de polímero 150 resistente a oxidación, y de esa forma generalmente no se agrieta y se divide en una solución acida. Por lo tanto, la capa de polímero 150 puede prevenir físicamente el crecimiento de dendrita de plomo desde el electrodo negativo hacia el electrodo positivo, previniendo de esa forma cortocircuitos incluso cuando la capa de caucho 140 se agrieta o se divide.

La mayoría de las redes de respaldo de capa de caucho tienen un grosor de 0.033 y 0.043 cm (0.013 a 0.017 pulgadas) . Aunque la capa de caucho 140 que tiene una red de respaldo 142 más delgada puede ser más propensa a agrietamiento y división en el electrólito ácido, una capa de caucho 140 agrietada o dividida aún previene o reduce sustancialmente la transferencia de antimonio. Por consiguiente, ya que una capa de polímero 150 previene físicamente la transferencia de plomo en separadores de la presente invención, una red de respaldo 142 de capa de caucho 140 más delgada puede utilizarse. Por ejemplo, puede utilizarse una capa de caucho 140 que tiene una red de respaldo 142 de 0.020 a 0.030 cm (0.008 a 0.012 pulgadas). La capa de polímero 150 puede tener un grosor menor que 0.025 centímetros (0.010 pulgadas). Sin embargo, pueden utilizarse cualquiera de los grosores adecuados.

Las Figuras 3 y 3A ilustran un separador 224 con un electrodo positivo 212 y un electrodo negativo 214. Una estera de vidrio 260 es adyacente al electrodo positivo 212. Una capa de caucho 240 es adyacente a la estera de vidrio 260 e incluye una red de respaldo 242 y costillas 244. Una capa de polímero 250 es adyacente a la capa de caucho 240 y está enrollada alrededor del electrodo negativo 214. En otras palabras, la capa de polímero 250 en las Figuras 3 y 3A es una cavidad que cubre el electrodo negativo 214. Como se muestra en las Figuras 3 y 3A, la cubierta de la capa de polímero 250 puede estar abierta en la parte superior. En algunas modalidades, la cubierta de polímero puede formarse al enrollar una lámina de polímero alrededor de la parte inferior del electrodo negativo 214 y al sellar la lámina de polímero sobre los lados del electrodo negativo 214. Al rodear el electrodo negativo 214 con la capa de polímero 250, cualquier material de plomo o que contienen plomo o adyacente a los electrodos negativos que podrían causar cortocircuito se separaran del resto de la batería mediante la cubierta. Incluso si se desarrollan grietas o divisiones en la capa de caucho 260 debido a oxidación, la cubierta de capa de polímero 250 también prevendrá que la dendrita de plomo se desplace desde el electrodo negativo 214 hacia el electrodo positivo 212 a través de las grietas o divisiones de la capa de caucho 260, previniendo de esa forma este tipo de cortocircuito de batería.

Las Figuras 4 y 4A ilustran una estructura alternativa para un separador de conformidad con una modalidad de la presente invención. En las Figuras 4 y 4A, un separador 324 incluye una capa de polímero 350 que tiene una red de respaldo 352 y costillas 354. El separador 324 también incluye una capa de caucho 340 plana sobre un lado de la capa de polímero 350 y una. estera de vidrio 360 sobre el otro lado de la capa de polímero 350. En otras palabras, en este diseño, la capa de caucho 340 y la capa de polímero 350 se invierten para que la capa de caucho 340 sea adyacente al electrodo negativo y la capa de polímero 350 esté colocada entre la capa de caucho 340 y la estera de vidrio 360. La capa de polímero 350 puede tener una red de respaldo 352 de grosor de 0.017 a 0.033 cm (0.007 a 0.013 pulgadas) . La capa de caucho 340 plana puede tener un grosor menor que 0.033 cm (0.013 pulgadas). Sin embargo, pueden utilizarse cualquiera de los grosores adecuados .

Las Figuras 5 y 5A ilustran una estructura alternativa adicional para un separador de conformidad con una modalidad de la presente invención. En las Figuras 5 y 5A, un separador 424 incluye una capa de caucho 440 espumada y una capa de polímero 450. La capa de polímero 450 incluye una red de respaldo 452 y costillas 454. Las costillas 454 forman canales 456. La capa de caucho 440 espumada de las Figuras 5 y 5A funciona tanto como una capa de caucho como un remplazo para una estera de vidrio. En otras palabras, la capa de caucho 440 espumada es efectiva al prevenir o reducir transferencia de antimonio, sirve para reforzar un electrodo adyacente, y también previene que el material activo de un electrodo adyacente se expanda dentro de los canales 456.

La presente invención se describirá ahora con referencia a los siguientes ejemplos. Estos ejemplos se proporcionan para propósitos ilustrativos únicamente, y no pretenden limitar el alcance de la presente invención.

Ejemplo 1 Se formaron electrodos positivos y negativos para baterías de plomo-ácido de conformidad con prácticas habituales . Se formaron separadores de conformidad con una modalidad de la presente invención y se colocaron entre cada placa positiva y negativa en una celda. Los separadores utilizados en el Ejemplo 1 incluyeron una lámina de caucho que tiene una red de respaldo y costillas, una lámina de polietileno porosa plana, y una estera de vidrio. Se ensamblaron los separadores con la lámina de caucho a la mitad, las costillas orientadas hacia el electrodo positivo.

Ejemplo Comparativo 1 Se formaron celdas como en el Ejemplo 1 excepto que se utilizó un separador de plomo-ácido tradicional. Los separadores de plomo-ácido tradicionales utilizados en el Ejemplo Comparativo 1 incluyeron una lámina de caucho que tiene una red de respaldo y costillas y una estera de vidrio. Se ensamblaron los separadores con la estera de vidrio adyacente al electrodo positivo y el lado plano de la red de respaldo de lámina de caucho adyacente al electrodo negativo.

Para las pruebas, las celdas se descargaron y cargaron repetidamente utilizando procedimientos estándares como se estableció por el Consejo Internacional de Baterías. La capacidad corregida y el término de voltaje de carga del Ejemplo 1 y el Ejemplo Comparativo 1 se midieron después de cada ciclo. Como se espera, no existieron cambios sustanciales a la capacidad o al término de voltaje de carga en el Ejemplo 1. En otras palabras, la batería presentada no se impactó negativamente por la inclusión de una capa adicional. Sin embargo, el uso de una membrana adicional en una batería, es decir, el uso tanto de una capa de caucho como de una capa de polímero, aumenta la resistencia de una batería. Aunque esto puede afectar negativamente una batería si se utiliza para aplicaciones de corriente alta, el aumento en resistencia generalmente no afecta el desempeño de la batería. Se espera que el Ejemplo 1 tenga un ciclo significativamente superior al Ejemplo Comparativo 1. En otras palabras, a medida que la capa de caucho del Ejemplo Comparativo 1 se oxida y se agrieta, ocurrirá un cortocircuito a medida que el plomo migra desde el electrodo negativo hacia el electrodo positivo. Sin embargo, en el Ejemplo 1, incluso si la capa de caucho se oxida y se agrieta, la capa de polímero debe prevenir la migración de plomo, y de esa forma debe prevenir un cortocircuito.

Aunque la presente invención ha sido ilustrada y descrita con referencia a ciertas modalidades ilustrativas, aquellos expertos en la técnica apreciarán que pueden hacerse varias modificaciones y cambios a las modalidades descritas sin apartarse del espíritu y alcance de la presente invención, como se define en las siguientes reivindicaciones.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. - Un separador para una batería de plomo-ácido, caracterizado porque comprende: una primera capa hecha de un material de caucho; y una segunda capa hecha de un material de polímero, en donde la segunda capa es una cubierta adaptada para contener un electrodo.

2. - El separador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material de caucho comprende caucho natural .

3. - El separador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material de polímero comprende polietileno.

4. - El separador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primera capa comprende una red de respaldo que tiene un primer lado y un segundo lado, el primer lado es plano y el segundo lado tiene una pluralidad de rebordes extendiéndose desde el mismo.

5. - El separador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el separador además compren una capa de refuerzo.

6. - El separador de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porgue el separador además comprende una capa de refuerzo y la capa de refuerzo es adyacente a la pluralidad de rebordes y la segunda capa es adyacente al primer lado.

7. - El separador de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la red de respaldo tiene un grosor de 0.020 a 0.030 cm (0.008 a 0.012 pulgadas).

8. - El separador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda capa comprende una red de respaldo que tiene un primer lado y un segundo lado, el primer lado es plano y el segundo lado tiene una pluralidad de rebordes extendiéndose desde el mismo.

9. - El separador de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el separador además comprende una capa de refuerzo y la capa de refuerzo es adyacente a la pluralidad de rebordes y la primera capa es adyacente al primer lado.

10. - El separador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primera capa comprende caucho espumado.

11. - El separador de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la primera capa comprende caucho espumado, y la primera capa es adyacente a la pluralidad de rebordes.

12. - Una batería de plomo-ácido, caracterizada porque comprende : un electrodo negativo; un electrodo positivo; al menos un separador entre el electrodo negativo y el electrodo positivo que comprende: una primera capa que comprende un material de caucho; y una capa que comprende un material de polímero, en donde la segunda capa es una cubierta que rodea el electrodo negativo; y un electrólito.

13. - La batería de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque la primera capa comprende caucho natural y la segunda capa comprende polietileno.

14. - La batería de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque la primera capa comprende una red de respaldo que tiene un primer lado y un segundo lado, el primer' lado es plano y adyacente a la segunda capa y el segundo lado tiene una pluralidad de rebordes extendiéndose desde el mismo, la pluralidad de rebordes orientada hacia el electrodo positivo.

15. - La batería de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque además comprende una capa de refuerzo, la capa de refuerzo está entre la pluralidad de rebordes y el electrodo positivo.

16. - La batería de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque la segunda capa comprende una red de respaldo que tiene un primer lado y un segundo lado, el primer lado es plano y adyacente a la primera capa y el segundo lado tiene una pluralidad de rebordes excediéndose desde el mismo, la pluralidad de rebordes orientada hacia el electrodo positivo.

17. - La batería de conformidad con la reivindicación 16, caracterizada porque la primera capa comprende caucho espumado, y la primera capa está entre la pluralidad de rebordes y el electrodo positivo.

18.- Una batería de plomo-ácido, caracterizada porque comprende: un electrodo negativo; un electrodo positivo; al menos un separador entre el electrodo negativo y el electrodo positivo que comprende: una capa de caucho que comprende caucho natural; y una capa de polímero que rodea los lados y la parte inferior del electrodo negativo para cubrir el electrodo negativo y que comprende polietileno; y un electrólito, la capa de caucho tiene una red de respaldo con un primer lado y un segundo lado, el primer lado es plano y adyacente a la capa de polímero y el segundo lado tiene una pluralidad de rebordes extendiéndose desde el mismo, la pluralidad de rebordes orientada hacia el electrodo positivo.