MX2014004385A - Bateria de plomo-acido inundada. - Google Patents

Abstract

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

Description

BATERÍA DE PLOMO-ÁCIDO INUNDADA CAMPO DE LA INVENCION La presente divulgación se refiere en general al campo de las baterías y más específicamente a baterías de plomo-ácido inundadas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La necesidad de mejoras en baterías de almacenamiento de plomo-ácido está ampliamente reconocida. Un ejemplo de un uso en el que se necesitan mejores baterías es en los Vehículos Eléctricos Híbridos (VEH), tales como los vehículos microhíbridos (VHE). Los vehículos microhíbridos son diferentes de los vehículos convencionales puesto que están diseñados para apagar el motor cuando el vehículo se detiene. El motor vuelve a arrancar inmediatamente antes de que el vehículo comience de nuevo a moverse. Como resultado, la batería de plomo-ácido se ve forzada a descargarse durante el período en el que el motor está apagado, proporcionando soporte para las cargas eléctricas en el vehículo y descargándose a una alta velocidad para arrancar el vehículo. Esto sucederá muchas veces durante un trayecto normal, al contrario de una única vez para un vehículo convencional. Por tanto, la batería de plomo-ácido se descargará muchas veces y será necesario que se cargue rápidamente con el fin de reponer la carga agotada durante el suceso de detención para permitir que el vehículo complete otro suceso de parada-arranque. Este nuevo requerimiento para la batería de plomo-ácido es difícil de conseguir.

Por consiguiente, existe una continua necesidad de baterías de plomo-ácido mejoradas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En el presente documento se divulgan baterías de plomo-ácido inundadas mejoradas.

En una realización, una batería de plomo-ácido inundada comprende un recipiente; una pluralidad de placas positivas dispuestas en el recipiente; una pluralidad de placas negativas dispuestas en el recipiente; un sustrato de empastado embebido en un material activo de al menos una superficie bien de las placas positivas o bien de las placas negativas de cada pluralidad respectiva, en la que el sustrato de empastado tiene un grosor inicial, en la que el grosor del sustrato de empastado tiene un grosor comprimido dentro del recipiente que es al menos del 10 al 20 % menor que el grosor inicial; y un electrólito dispuesto en el recipiente hasta un nivel suficiente para inundar la pluralidad de placas positivas y negativas.

En una realización, una batería de plomo-ácido inundada comprende un recipiente; una pluralidad de placas positivas dispuestas en el recipiente; una pluralidad de placas negativas dispuestas en el recipiente; un sustrato de empastado embebido en un material activo de al menos una superficie bien de las placas positivas o bien de las placas negativas de cada pluralidad respectiva, en la que el sustrato de empastado tiene un gramaje de 23 g/m2 a 31 g/m2 y el sustrato de empastado comprende más de aproximadamente el 50 % en peso de fibras de vidrio en base al peso total del sustrato de empastado; y un electrólito dispuesto en el recipiente hasta un nivel suficiente para inundar la pluralidad de placas positivas y negativas.

En una realización, una batería de plomo-ácido inundada comprende un recipiente; una pluralidad de placas positivas dispuestas en el recipiente; una pluralidad de placas negativas dispuestas en el recipiente; un sustrato no tejido que comprende fibra de vidrio embebida en un material activo de al menos una placa de cualquiera de la pluralidad de placas negativas y de la pluralidad de placas positivas, en la que el sustrato no tejido tiene un gramaje de 23 g/m2 a 31 g/m2 y comprende una mezcla de fibras que tienen un diámetro medio de fibra de 5 pm a 8 pm, teniendo las fibras un diámetro medio de fibra de 11 a 14 pm; y un electrólito dispuesto en el recipiente hasta un nivel suficiente para inundar la pluralidad de placas positivas y negativas.

Las características descritas antes y otras más se apreciarán y comprenderán por los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada, dibujos y reivindicaciones adjuntas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Se hace referencia ahora a las figuras, que son ejemplos de realizaciones y en los que elementos similares se numeran de forma similar: FIG. 1 es una vista en perspectiva de una batería de plomo-ácido, una porción de la cual está cortada y separada para mostrar los componentes internos de la batería; y FIG. 2 es una vista frontal de una placa de la batería, con una porción de la rejilla subyacente mostrada que se expone con propósitos ilustrativos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Se divulgan en el presente documento baterías de plomo-ácido inundadas mejoradas que tienen una serie de mejoras (por ejemplo, un ciclo de vida mejorado) al compararlas con las baterías de plomo-ácido inundadas convencionales. Como se describirá con más detalle a continuación, se han identificado una serie de características que, de forma independiente y/o combinándolas entre sí, tienen como resultado baterías que se pueden usar en aplicaciones de ciclo exigente (por ejemplo, aplicaciones para vehículos con sistema de parada-arranque). Aunque las realizaciones divulgadas en el presente documento pueden ser particularmente beneficiosas para vehículos eléctricos microhíbridos, se sobreentiende que están dentro del ámbito de la invención reivindicada otras aplicaciones (por ejemplo, tracción y fotovoltaica).

Haciendo referencia ahora a las FIGS. 1-2, se divulga un ejemplo de realización de una batería de plomo-ácido inundada mejorada denominada en general como 10. La batería de plomo-ácido 10 incluye un recipiente 12. La forma del recipiente 12 puede variar dependiendo de parámetros de diseño, pero se ilustra teniendo una forma generalmente rectangular. El recipiente 12 incluye un recipiente 14 inferior que tiene un suelo de base 16 y cuatro paredes laterales 18 y una tapa 20 de la parte superior que sella la parte superior del recipiente 12 para evitar fugas del ácido desde el recipiente 12. La tapa 20 de la parte superior puede incluir uno o más orificios de ventilación (no mostrados) y tapones 22 de ventilación que permiten que los gases generados en el interior del recipiente de la batería escapen. Materiales adecuados para el recipiente 12 incluyen materiales electrónicamente no conductores tales como materiales poliméricos.

A diferencia de las baterías inundadas convencionales, en una realización el recipiente 12 se ha diseñado para acomodar una mayor compresión del apilamiento (comparada con las baterías inundadas convencionales). Por ejemplo, el grosor de las paredes 18 puede ser más grueso al compararlo con las paredes laterales de baterías inundadas convencionales. En una realización, la batería inundada mejorada tiene una compresión del apilamiento de al menos el 10 % al 20 %, de forma específica del 10 % al 15 %. Aunque la compresión del apilamiento se puede obtener como resultado de comprimir un sustrato de empastado (descrito con detalle más adelante), se prevén otros medios para proporcionar compresión que están dentro del ámbito de la invención reivindicada.

Los polos terminales conductores 24 positivos y negativos se prolongan hasta la tapa 20 de la parte superior permitiendo la conexión de pinzas eléctricas a la batería en operación. El recipiente 12 puede incluir opcionalmente una cinta (25 tal como se ilustra), asa u otro dispositivo para levantar la batería con el fin de facilitar la manipulación de la batería.

Los componentes que están en el interior del recipiente 12 incluyen varias paredes 26 divisorias que se extienden verticalmente a través de la base 14 del recipiente y separan la base 14 del recipiente en una pluralidad de compartimentos de celdas separados. Estas paredes divisorias están selladas por lo general a las superficies interiores del suelo 16 de la base, a la tapa 20 del panel superior y a las paredes laterales 18 frontal y trasera del recipiente para evitar escapes del fluido ácido 28 (también denominado electrólito 28) fuera de las paredes 26 divisorias.

En una realización, el electrólito 28 comprende ácido sulfúrico. En una realización, el electrólito comprende ácido sulfúrico en una cantidad tal que el electrólito tiene una densidad de 1 ,260 a 1 ,300 gramos por centímetro cúbico (g/cm3) medida a 15 °C en un estado totalmente cargado. En otras realizaciones, puede ser deseable que el electrólito tenga una densidad menor que 1 ,280 g/cm3 medida a 15 °C en un estado totalmente cargado. El electrólito 28 está presente en una cantidad suficiente para inundar las placas negativas 32 y las placas positivas 34. La cantidad exacta de electrólito 28 puede variar dependiendo de la aplicación deseada.

En una realización, las paredes 26 divisorias y las paredes 18 del recipiente 12 forman compartimentos 30 de celda que contienen cada uno un apilamiento vertical de placas negativas 32 y placas positivas 34, que se describe con más detalle en relación con la FIG. 2. A diferencia de las baterías de plomo-ácido inundadas convencionales, en el material activo de una o más superficies de las placas negativas 32 y/o de las placas positivas 34 está embebido un sustrato de empastado que comprende fibras de vidrio. El grado en el que el sustrato de empastado está embebido en el material activo puede variar dependiendo del diseño. En una realización, el sustrato de empastado tiene al menos un 5 por ciento (%) de su grosor nominal embebido en el material activo. En otra realización, el sustrato de empastado tiene al menos un 10 % de su grosor nominal embebido en el material activo. En una realización, del 20 % al 100 % del grosor nominal está embebido en el material activo, de forma específica, del 50 % al 75 %. En una realización, al menos un 50 % del grosor nominal está embebido en el material activo. En otras realizaciones, es deseable tener menos de todo el grosor nominal embebido en el material activo. De forma específica, menos del 90 % del grosor nominal está embebido en el material activo, de forma específica, del 10 % al 90 %. El sustrato de empastado está embebido en el material activo aunque el material activo todavía esté en un estado húmedo.

En una realización, el sustrato de empastado tiene cierto grado de elasticidad tal que puede comprimirse en el interior del recipiente 12. Por ejemplo, el sustrato de empastado tiene un grosor inicial, en el que el grosor del sustrato de empastado tiene un grosor comprimido en el interior del recipiente que es al menos del 10 % al 20 %, de forma específica del 10 % al 15 %, menor que el grosor inicial. En una realización, el sustrato comprende fibras de vidrio, pero en algunas realizaciones el sustrato de empastado puede no comprender ninguna fibra de vidrio.

Sin pretender estar vinculado con ninguna teoría, se cree que embebiendo un sustrato de empastado que comprende fibras de vidrio en el material activo se pueden obtener una serie ventajas con respecto al papel de empastado convencional que comprende celulosa. De forma específica, se cree que el sustrato de empastado que comprende fibra de vidrio mejora el transporte de ácido comparado con los papeles de empastado convencionales proporcionando un camino de flujo del ácido en el material activo. Puesto que las fibras de vidrio no se disuelven en el electrólito ácido, éstas son capaces de permanecer en contacto con el material activo proporcionando una resistencia de la placa mejorada y una integridad estructural al material activo. Además, se cree que, comparados con los sustratos de empastado que comprenden sustancialmente fibras poliméricas, las fibras de vidrio soportan mejor el entorno oxidante de las placas positivas.

En diversas realizaciones, el sustrato de empastado se puede usar con, o además de, el tradicional papel de empastado. Por ejemplo, en diversas realizaciones, el sustrato de empastado se puede usar en lugar del papel de empastado convencional únicamente en relación con alguna o todas las placas positivas. En diversas otras realizaciones, el sustrato de empastado se puede usar en lugar del papel de empastado convencional únicamente en relación con alguna o todas las placas negativas. En otras realizaciones, alguna o todas tanto de las placas positivas 32 como de las placas negativas 34 emplean el sustrato de empastado divulgado en el presente documento. Todavía en otras realizaciones, el sustrato de empastado de papel puede ser un componente diferenciado de la batería separado del separador 38. En otras realizaciones, el sustrato de empastado puede ser una parte integrante del separador 38 tal como una capa que sea parte del separador 38 o actúe como el separador 38. En otras palabras, se prevén realizaciones en las que el sustrato de empastado actúe como soporte durante el procedimiento de empastado y como un separador cuando las placas estén dispuestas en el interior de la batería.

En una realización, el sustrato de empastado comprende más de un 50% en peso de fibras de vidrio en base al peso total del sustrato de empastado y de forma más deseable, más de un 75 % en peso. En otras realizaciones, el sustrato de empastado está sustancialmente exento de fibras de vidrio y comprende una resina termoplástica, tal como poliésteres y polipropileno. Las fibras de vidrio pueden tener beneficios para algunas aplicaciones, mientras que las fibras termoplásticas pueden ser aceptables para otras aplicaciones. Se han previsto realizaciones en las que se empleen mezclas de fibras de vidrio y fibras termoplásticas. Se han previsto otras realizaciones en las que se mezclen fibras de vidrio y/o resinas termoplásticas con fibras celulósicas.

En una realización, las fibras pueden tener un diámetro medio de fibra de 5 micrómetros (µ??) hasta 16 pm, de forma específica la fibra puede comprender una mezcla de fibras que tienen un diámetro medio de fibras de 5 m a 8 m (primer diámetro de fibras) con fibras que tienen un diámetro medio de fibras de 11 a 14 µ?? (segundo diámetro medio de fibras). En una realización específica, la relación del primer diámetro de fibras al segundo diámetro de fibras varía de 2:1 a 1 :2, incluso más específicamente, en una realización, la relación del primer diámetro de fibras al segundo diámetro de fibras es aproximadamente 1 :1 (más o menos 10 %).

Además del diámetro de fibras, la longitud de las fibras es otra variable de la fibra que se puede modificar con el fin de obtener el comportamiento deseado. En una realización, la fibra puede tener una longitud media de fibras de 5 milímetros (mm) a 16 milímetros y puede comprender una mezcla de longitudes de fibra. Por ejemplo, en una realización, las fibras comprenden una mezcla de fibras que tienen una longitud media de fibras de 5 milímetros a 7 milímetros (primera longitud de fibras) con fibras que tienen una longitud media de fibras de 11 milímetros a 14 milímetros (segunda longitud de fibras). En una realización específica, la relación de la primera longitud de fibras a la segunda longitud de fibras varía de 2:1 a 1 :2, incluso más específicamente, en una realización, la relación de la primera longitud de fibras a la segunda longitud de fibras es aproximadamente 1 :1 (más o menos el 10 %).

En una realización, las fibras pueden tener relaciones promedio entre el diámetro y la longitud de 11 micrómetros (pm)/13 mm a 13 pm/13 mm. En una realización, el sustrato de empastado tiene un gramaje de 23 gramos por metro cuadrado (g/m2) a 31 g/m2 y puede tener un grosor de 0,12 milímetros (mm) a 0,25 mm medido a 10 kPa. El sustrato de empastado se puede formar por una serie de diferentes procedimientos. En una realización particular, el sustrato de empastado es un sustrato no tejido que comprende fibras de vidrio.

En una realización, las placas negativas de baterías 32 están inmersas en un separador 38 polimérico poroso que separa las placas negativas 32 de las placas positivas 34. En otra realización, las placas positivas 34 están inmersas en un separador 38 polimérico. El separador puede ser, por ejemplo, un separador tipo bolsillo o, de forma alternativa, un separador de hojas sueltas. En diversas realizaciones, el separador comprende una poliolefina. Ejemplos de poliolefinas que se pueden usar incluyen, aunque sin quedar limitadas a las mismas, polietileno, polipropileno, polibuteno, copolímeros de etileno-propileno, copolímeros de etileno-buteno, copolímeros de propileno-buteno y copolímeros de etileno-propileno-buteno.

Como se ilustra adicionalmente en la FIG. 1 , las patillas o lengüetas 36 proporcionan un contacto de conexión eléctrica. Las placas negativas 32 están conectadas corrientemente mediante conectores 40 a través de las divisorias que están en contacto eléctrico con las patillas de placa. De igual modo, hay unido un conector 42 de celda a polo terminal a la parte inferior del polo terminal negativo y también en contacto eléctrico con las patillas de placa. Igualmente, las placas positivas 34 están conectadas a través de conectores de las divisorias y un conector de celda a polo terminal unido al polo terminal positivo.

Los bordes inferiores de las placas 32, 34 pueden estar soportados opcionalmente por los apoyos 44 de elementos que pueden estar dispuestos debajo de las placas del suelo de la base 16 del recipiente inferior 14. En una realización, las placas 32, 34, en especial las placas positivas que no están cubiertas, pueden estar ancladas a los apoyos de elementos por medio de un material de unión 46, tal como una resina epoxídica, un adhesivo de unión en estado fundido o una fijación mecánica tal como bridas, cintas, bloques u otro material de unión o fijación que evite el movimiento de las placas 32, 34 en el recipiente 12. Los apoyos de elementos mantienen la parte inferior de las placas alejada de la superficie inferior de las celdas de modo que el sumidero 48 de sedimento por debajo de las placas puede contener restos u otro material extraño y separan y mantienen el material alejado de las placas.

La FIG. 2 muestra una placa 32, 34 de batería representativa en la que una porción del material activo se ha retirado del enrejado 50 de placa subyacente para mostrar la estructura de rejilla de la placa que proporciona un armazón que soporta el material activo. En algunas realizaciones, la placa puede tener bordes 52 en dos o cuatro lados del soporte estructural. La configuración de la rejilla puede variar dependiendo de diversos parámetros de diseño. El enrejado de placa subyacente puede estar formado de un material conductor, de forma típica plomo o una aleación de plomo. La configuración mostrada en la FIG. 2 se da simplemente a título ilustrativo. El enrejado 50 de placa subyacente se puede conformar de acuerdo con cualquier serie de procedimientos y no pretende limitar el ámbito de la invención aquí reivindicada. A título de ejemplo, la rejilla se puede conformar por (1) procedimientos discontinuos tales como conformado por gravedad en molde encharnelado; y (2) procedimientos continuos tales como expansión de bandas, estampado de bandas, colado en continuo y colado en continuo seguido por laminado.

El material activo 54, al que con frecuencia se hace referencia como una pasta en estado húmedo, es típicamente un material a base de plomo (por ejemplo, PbO, Pb02, Pb o PbS04 en los diferentes estados de carga/descarga de la batería). El material activo se aplica al enrejado 50 de placa subyacente como una pasta y el sustrato 56 de empastado queda embebido en el material activo como se ha descrito antes mientras que la pasta está en un estado húmedo. En la FIG. 2, el sustrato 56 de empastado se representa de forma temática por rayas cruzadas para fines ilustrativos.

Como se ha descrito antes de forma resumida, las baterías de plomo-ácido inundadas que se han diseñado de acuerdo con las realizaciones de esta divulgación pueden aumentar la vida útil de servicio de la batería y/o cumplir los requisitos más exigentes de ciclos de carga y descarga al compararlas con las baterías de plomo-ácido inundadas convencionales. Además, el uso de un sustrato de empastado puede ofrecer una serie de oportunidades de procesado continuo y beneficios de manipulación durante el procedimiento de fabricación.

Aunque la invención se ha descrito con referencia a una realización a modo de ejemplo, se entenderá por los expertos en la técnica que se pueden realizar diversos cambios y que se pueden sustituir los elementos por equivalentes de los mismos sin apartarse del ámbito de la invención. Además, se pueden realizar muchas modificaciones para adaptar una situación o material particular a las enseñanzas de la invención sin apartarse del ámbito esencial de la misma. Por tanto, se pretende que la invención no quede limitada a la realización particular divulgada como el mejor modo contemplado para llevar a cabo la invención, sino que la invención incluirá todas las realizaciones que estén dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1 . Una batería de plomo-ácido inundada caracterizada porque comprende: un recipiente; una pluralidad de placas positivas dispuestas en el recipiente; una pluralidad de placas negativas dispuestas en el recipiente; un sustrato de empastado embebido en un material activo de al menos una superficie de las placas positivas o de las placas negativas de cada pluralidad respectiva, en el que el sustrato de empastado tiene un gramaje de 23 g/m2 a 31 g/m2 y el sustrato de empastado comprende más de aproximadamente el 50 % en peso de fibras de vidrio en base al peso total del sustrato de empastado; y un electrólito dispuesto en el recipiente hasta un nivel suficiente para inundar la pluralidad de placas positivas y negativas.

2. La batería de plomo-ácido inundada de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizada porque el sustrato de empastado comprende una mezcla de fibras que tienen un diámetro medio de fibra de 5 pm a 8 pm, teniendo las fibras un diámetro medio de fibras de 1 a 14 pm.

3. La batería de plomo-ácido inundada de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque el sustrato de empastado comprende una mezcla de fibras que tienen una longitud media de fibras de 5 milímetros a 7 milímetros, teniendo las fibras una longitud media de fibras de 1 1 milímetros a 14 milímetros.

4. La batería de plomo-ácido inundada de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el sustrato de empastado es un sustrato no tejido que comprende fibras de vidrio.

5. La batería de plomo-ácido inundada de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque las fibras de vidrio tienen una relación promedio entre el diámetro de fibra y la longitud de la fibra de 1 1 micrómetros/13 mm a 13 micrómetros/13 mm.

6. La batería de plomo-ácido inundada de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el grosor del sustrato de empastado tiene un grosor comprimido dentro del recipiente que es al menos del 10 al 20 % menor que el grosor inicial .

7. La batería de plomo-ácido inundada de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque el electrólito comprende ácido sulfúrico en una cantidad tal que el electrólito tiene una densidad de 1 ,260 a 1 ,300 g/cm3 medida a 15 °C en un estado totalmente cargado.

8. La batería de plomo-ácido inundada de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque el electrólito tiene una densidad menor que 1,280 g/cm3 medida a 15 °C en un estado totalmente cargado.

9. La batería de plomo-ácido inundada de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque comprende además un separador adicional dispuesto en el recipiente entre cada una de la pluralidad de placas positivas y cada una de la pluralidad de placas negativas.

10. La batería de plomo-ácido inundada de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque el sustrato de empastado tiene un grosor de 0,12 mm a 0,25 mm medido a 10 kPa.