MXPA96005057A - Separador de baterias de descarga profunda. - Google Patents

Abstract

Un separador ceramico, poroso, rigido y tubular para un montaje de bateria recargable de descarga profunda, teniendo el separador una porosidad mayor de 40%. Se ensambla una multitud de elementos de bateria, incorporando cada uno tales separadores, con una terminal comun para formar electrodo positivo en una bateria para traccion motriz.

Description

SEPARADOR DE BATERÍAS DE DESCARGA PROFUNDA CAMPO DE LO INVENCIÓN Baterías de descarga profunda y separadores de batería tubulares, porosos, cerámicos para tales baterías.

ANTECEDENTES DE Lfl INVENCIÓN El tipo más antiguo y mejor conocido de batería recargable es la batería de ácido de plomo. La presente invención se refiere principalmente a las baterías de alto rendimiento de este tipo, diseñadas para proveer descarga profunda. En particular, va dirigida a los separadores tubulares para su uso en tales baterías. Se usan comúnmente las baterías de ácido de piorno de las camionetas otros vehículos viales y de servicio accionados eléctricamente, y en aplicaciones marinas, tales como botes, barcos y submarinos. Se usan los diseños de batería tanto tubular corno de placa plana para este tipo de batería. La presente solicitud se refiere al primer diseño, es decir, el diseño tubular. En particular, va dirigida a los separadores tubulares para su uso corno componente en tales baterías de descarga profunda. Actualmente, las placas positivas en una batería constan de una serie de tubos paralelos porosos. Cada tubo tiene un conductor de plomo centralizado rodeado por , material activo. Se hacen actualmente los tubos de fibras tejidas, trenzadas o de fieltro. Tales materiales son 5 resistentes al ataque del ácido y al ambiente oxidante de las baterías de ácido de plomo. Sin embargo, carecen de integridad estructural y no se prestan para su fabricación conveniente automatizada. ^^ . Un elemento integrado para batería de descarga 10 Profunda y de alto rendimiento consta de varios tubos. Estos pueden emplearse individualmente, o juntarse alternativamente en lo que se conoce corno construcción de guantelete. Esta construcción integra varios tubos individuales en una estructura única. Se montan los tubos en su base con una barra 15 inferior de plástico. Se pueden usar electrodos negativos y separadores convencionales para completar la batería de diseño tubular. ' , ^^ La consideración importante para las baterías de descarga profunda y de ciclado profundo para aplicaciones de 20 tracción es la máxima duración de ciclado con alta densidad e energía. Sin embargo, el peso ligero no siempre es deseable en ciertas aplicaciones. Por ejemplo, la batería de un montacargas de horquilla debe ser pesada, porque el peso de la batería se usa generalmente para contrapesar la carga útil. Se incrementa 25 la duración de las horquillas por medio de emplear placas espesas con alta densidad de pasta, una cura de alta temperatura y alta humedad, baja densidad de electrólitos, alta #" calidad, separadores de base orgánica y una o más capas de estera de fibra de vidrio . La placa positiva empastada plana (de Faure) es típica para las baterías de ciclado profundo en Estados Unidos.

Sin embargo, algunas baterías de ciclado en Estados Unidos, y la mayoría de las baterías de ciclado en el resto del mundo, se construyen con terminales positivas tubulares o de tipo fntelete. La construcción tubular reduce al mínimo tanto la rosión de la rejilla corno el derrame de material activo. Se usan las placas negativas empastadas planas junto con estas terminales positivas, y los elementos de batería son del diseño de terminal negativa exterior. Las baterías para aplicaciones de tracción o de ciclado profundo tienen rendimiento similar con placas positivas ya sea empastadas o tubulares. Sin embargo, las placas tubulares o de guantelete muestran menores pérdidas de polarización debido a la mayor área de superficie mejor retención de material activo positivo y pérdida reducida en el estado inactivo. La presente invención provee un separador tubular, cerámico, extruído, para reemplazar el separador común de guantelete de fibra tejida y el de estera de vidrio.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se basa en un separador lubular, cerámico, rígido, poroso, para una batería tubular de descarga profunda (ciclado profundo). Se basa además en una batería tubular de descarga profunda que incorpora tales cuerpos tubulares co o separadores.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS De los dibujos adjuntos, La figura 1 es una vista lateral en sección transversal de un elemento de batería tubular único, de conformidad con la invención. La figura 2 es una vista parcial de un elemento positivo integrado para una batería de descarga profunda, de conformidad con la invención. La figura 3 es una vista lateral esquemática que representa una forma modificada de la invención. La figura 4'és una vista en perspectiva de la forma [ odificada de la figura 3, DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención adopta las características estructurales básicas de las baterías comunes de elemento tubular, de descarga profunda y de alto rendimiento. En tales baterías, las placas positivas constan de una serie de tubos porosos paralelos. Cada tubo tiene un conductor centralizado de JiSplomo rodeado de material activo. Se hacen actualmente los tubos de fibras tejidas, trenzadas o de fieltro que son resistentes al electrólito ácido y al ambiente oxidante de las baterías de ácido de plomo. Se puede usar los tubos individualmente. Alternativamente, se pueden coser juntos (construcción de guantelete) para producir una estructura única con varios tubos. Se sellan los tubos en su base con una barra inferior de plástico. Se usan electrodos negativos y separadores convencionales para completar la batería de diseño fSjftbular. La presente invención pretende principalmente proveer un separador tubular mejorado para una batería de descarga profunda. Por lo tanto, se hace alusión a la técnica anterior en cuanto a los detalles que tienen que ver con la construcción y características de operación de este tipo de batería. Se puede encontrar una descripción típica en las páginas 219-22? de un , texto de Clive D. S. Tuc titulado "Modero .Battery ^Pechnology" y publicado por Ellís Horwood £1991). La invención surge del concepto de emplear cuerpos tubulares, cerámicos, porosos, como separadores en baterías de descarga profunda. Se sustituyen estos separadores cerámicos por los tubos fibrosos y los separadores porosos que se usan comúnmente para este propósito en las baterías de descarga profunda. Proveen facilidad de montaje en comparación con los separadores tubulares no rígidos. Al producir tales separadores tubulares cerámicos, se fdoptan y se modifican las prácticas y los procedimientos de la técnica de extrusión de los cuerpos cerámicos. De esta manera, se mezcla un lote de materias primas para proveer una masa homogénea de viscosidad conveniente para su extrusión. Se introduce esta masa a través de un extrusor con un molde diseñado para extruir una pieza continua de material tubular cerámico. Los materiales cerámicos preferidos para propósitos tel separador cerámico se componen de alúmina o mulita solas, o en se mezcla una con otra. Se mezclan las fuentes de estos materiales en forma de polvo con metilcelulosa, un dispersante, grafito y agua para formar las mezclas extruibles. Se extruyen las mezclas en forma tubular que tienen un espesor deseado de pared y se cuecen para producir separadores tubulares porosos. Es necesaria la durabilidad química, ya que se expone el separador al electrólito. La prueba industrial usada para un separador de batería de ácido de piorno implica la exposición ^3el material a una solución de ácido sulfúrico de 1.28 de gravedad específica durante 72 horas a 70°C. El material debe exhibir una pérdida de peso que sea menor de 5% para ser aceptable. Por conveniencia en las pruebas de coordinación, se ha adoptado una prueba más rigurosa que implica la exposición a 40% de ácido sulfúrico durante 9d horas a 95°C. Además, se ha requerido que la pérdida de peso en esta prueba ás rigurosa no se exceda de aproximadamente 2%. Finalmente, un material poroso debe tener una buena ßRmcíón de mecha. Esta es una medida de la capacidad de los poros de absorber electrólito por acción capilar. Por ejemplo, un separador de estera de fibra de vidrio permitirá típicamente que un electrólito de ácido sulfúrico ascienda a la altura de 7.5 c en un período de 3 minutos. El material cerámico que está en las paredes de un separador extruído tiene una porosidad inherente de aproximadamente 30-40%. Sin embargo, se considera por lo fieral necesario un mayor valor para proveer una impedancia -"icientemente menor y así producir una batería viable. Se prefiere una porosidad mayor de aproximadamente 50%. A fin de aumentar la porosidad de una pieza cerámica extruída, el lote preparado para su extrusión puede incorporar un llenador combustible o evanescente en cantidades hasta de aproximadamente 75%. Se prefiere el grafito en polvo corno llenador. Cuando se extruye un cuerpo, se cuece para eliminar el llenador, incrementando con ello la porosidad del cuerpo a fCvaalores mayores de 40%, preferiblemente mayores de 60%. Un circuito eléctrico, tal co o una batería, contiene resistencia (R), capacitancia (C) e inductancia (L). Se define una irnpedancia Z para calcular el efecto retardado total sobre la corriente de los componentes con R, L o C. La impedancia es crítica para la operación de una batería y expresa la respuesta lenta de un sistema a un estímulo, a saber el efecto sobre un flujo de corriente tras la aplicación de un estímulo (carga y descarga). Se define la potencia (E en watts), en la modalidad corriente directa (DO de las baterías, como el producto de la corriente (I en amperes) y la impedancia (Z en ohrns) para los componentes de DC de la batería solamente. La irnpedancia reduce invariablemente el voltaje teórico de una batería a un menor. voltaje de servicio. El rendimiento eficaz de la batería requiere la capacidad de aceptar y mantener una carga. Al lograr esto, el valor de la impedancia debe ser relativamente bajo. Durante la de la batería, se fija como objetivo una entrada energía en términos de una cantidad fija de arnpere- horas/kg (Ah/kg). Esta entrada debe estar presente con el voltaje en cualquier elemento que no exceda cierto nivel. La práctica normal es proveer una entrada total de energía de 407.86 Ah/kg, mientras se mantiene el voltaje aplicado debajo de 2.7 volts. Si la porosidad de un separador es demasiado baja, el voltaje aplicado excederá el limite permisible. Esto requiere reducir el nivel de entrada de energía, situación que nterfiere con la formación apropiada de una batería e incrementa el tiempo y el costo de fabricación. Las baterías de ácido de plomo, de alto rendimiento, se usan como fuente de poder en camionetas montacargas de horquilla, carros de golf, otros vehículos viales y de servicio accionados eléctricamente, y en aplicaciones marinas. El requisito principal de estas baterías de alto rendimiento es que tengan una buena capacidad de ciclado. Se garantiza la mayoría de los tipos de batería de tracción por 1200 ciclos ó 5 íos de servicio. Se usan extensamente 2 tipos de diseño de batería para esta aplicación, es decir la construcción tubular de placa plana. Las placas positivas del elemento tubular constan de una serie de tubos porosos paralelos teniendo cada uno un conductor de polvo centralizado rodeado de material activo. Los tubos se hacen actualmente con fibras tejidas, trenzadas o de fieltro que son resistentes al ácido y al ambiente oxidante de ácido de piorno. Los tubos pueden usarse cocerse juntos (construcción de guantelete), para producir una estructura nica con varios tubos. Se sellan los tubos en la base con una barra inferior de plástico. Se usan electrodos negativos y separadores convencionales para completar la batería de diseño tubular. En el diseño tubular del elemento de la batería, los separadores tubulares, cerámicos, extruidos, reemplazan el separador común de guantelete de fibra tejida y el de estera de idrio. Se forma la construcción de un electrodo en el centro del cuerpo cerámico extruído. El exterior del cuerpo extruído actúa como el separador entre los electrodos. Se puede producir el separador/ guantelete cerámico en una construcción de una pieza para proveer un electrodo positivo activo, usando la tecnología actual de las baterías tubulares. Se puede hacer también la construcción tubular cerámica en dos piezas con ranuras que se empastan con materiales activos. Se juntan las mitades empastadas y se ? corpora una ranura centralizada en el conductor de plomo para producir un separador/electrodo positivo tubular. Se pueden usar sostenes de plástico para rematar y fijar el cuerpo tubular. Se ajusta el cuerpo cerámico a la porosidad e impedancia deseadas para producir una batería con las características deseadas de descarga profunda. Los separadores cerámicos proveen ventajas significantes para su uso en las baterías comerciales de alto rendimiento. Se pueden someter los materiales a un rocedi iento de modo que produzcan una variedad de formas y tamaños con una amplia gama de porosidad y tamaños de poros. Se pueden ajustar éstos a los requerimientos de cada batería. Los materiales son fuertes y no se despedazan o fraccionan durante el uso normal de la batería. Los materiales no se rompen mientras están bajo compresión y evitan que el material activo se desprenda de los electrodos alargando la duración de la batería. Los materiales exhiben porosidad sinuosa lo cual inhibe la capacidad de las dendritas de moverse a través del separador y poner el elemento en corto, circuito. La resistencia de los separadores cerámicos hace los materiales ideales para su producción automatizada y para su uso en posición ya sea vertical u horizontal. El uso de la construcción tubular cerámica revoluciona potencialmente el procedimiento de fabricación de las baterías de descarga profunda. Mecaniza significantemente el procedimiento de elaboración y mejora el rendimiento por medio de incrementar pfc"is densidades de energía y potencia. La figura 1 de los dibujos adjuntos es una vista lateral en corte transversal de un componente 10 tubular único de un elemento de batería que ilustra la invención. El componente 10 incorpora un cuerpo 12 tubular poroso que funciona corno separador. Se llena el separador 12 con un material 14 activo positivo. Este puede ser el material comúnmente empleado como revestimiento poroso para una rejilla g> electrodo positivo. Se inserta entonces una varilla 16 o ß-arnbre metálico en el material 14 activo del componente 10 para funcionar como electrodo positivo. Normalmente, el elemento completo de una batería tendrá un electrodo negativo a cada lado del componente 10 o una serie de tales componentes. Típicamente, se combina una serie de componentes 10 para formar un electrodo integrado. La serie puede ascender, por ejemplo, a la cantidad de 15-20. Se pueden conectar los electrodos 16 de la manera conocida para formar el electrodo ^Integrado. La figura 2 es una vista parcial esquemática de un electrodo integrado. La figura muestra los tres componentes 10 conectados eléctricamente por una barra 18 metálica para producir el electrodo 20 integrado. Se pueden sostener los extremos opuestos de los componentes 10 en un miembro de soporte, por ejemplo, un sostén 22 moldeado de plástico. La figura 3 es una vista lateral esquemática que ilustra una construcción alternativa de dos piezas para un Í ?rnponente 30 tubular individual. En el componente 30, el separador cerámico adopta la forma de cuerpos 32 semicilíndricos acanalados que pueden ser idénticos en forma y material. Se llenan las ranuras 34 de los cuerpos 32 con material 36 activo positivo que corresponde al mostrado en la figura 1 con el número 14. De igual manera, se incrusta el miembro 38 de electrodo metálico en el material 36. Se sellan entonces los cuerpos 32 para formar un componente 30 que «rresponde al componente 10. r se puede ensamblar una serie de componentes 30 para formar un electrodo integrado de la manera descrita anteriormente. Se apreciará que se puede producir la construcción tipo guantelete por medio de moldear cuerpos que tengan ranuras paralelas múltiples, en vez de una ranura corno se muestra. La figura 4 es una vista en perspectiva que muestra el componente 30 tubular como un cuerpo unitario formado por r mn€edio de sellar los cuerpos 32 MODALIDADES ESPECIFICAS Se ha llevado a cabo de manera extensa trabajo experimental con los materiales preferidos, alúmina, mulita, o mezclas de alúmina y mulita extruídas. Se han mezclado estos materiales con grafito antes de la extrusión. Corno se mencionó •antes, el grafito al calentarse se separa del material extruído Fra proveer a los cuerpos porosidades mejoradas. El cuadro I muestra composiciones por lotes en partes de peso para una serie de mezclas las cuales, al ser extruídas y cocidas, proveen cuerpos compuestos de 33% de mulita y 67% de alúmina.

CUADRO I J teria por Lotes _1_ _2__ ., 3 _4._ _5_ _6_ 7 Arcilla en placas 16.66 14.13 11.63 9.14 7.80 5.82 4.16 Arcilla apilada 5.54 4.71 3.88 3.05 2.49 1.94 1.39 Arcilla calcinad 27.61 23.47 19.34 15.19 12.42 9.66 6.90 Alúmina 50.73 42.67 35.16 17.63 22.60 17.58 12.65 Grafito 15 30 45 55 65 75 Metilcelulosa 3 3 3 3 3 3 3 Dispersante 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 27.5 27.5 27.5 27.5 27.5 27.5 27.5 Se diseñaron originalmente los lotes básicos, antes de la adición del grafito, para la preparación de substratos de soporte expuestos a ciclados de temperatura. Según esto, se emplearon combinaciones de arcillas de plaqueta, apiladas y calcinadas (caolina) para controlar los efectos de expansión por la orientación de los cristales. Se explican con detalle los efectos térmicos de expansión de las diferentes arcillas, no de importancia aquí, en la Patente Americana No. 3,885,977 y otros). El cuadro II muestra composiciones por lotes en partes de peso para una serie similar de materiales que, al ser extruí os o cocidos, producen cuerpos de alúmina, de porosidad variante.

CUADRO II Grafito -- 25 50 75 Metilcelulosa 3 3 3 3 Dispersante 0. ,7 0.7 0.7 0.7 Agua 27. ,5 27.5 27.5 27.5 El cuadro III muestra las propiedades de los cuerpos ?orosos cocidos, producidos a partir de los lotes mostrados en r LOS cuadros I y II CUADRO III Tamaño de los Ejernp lo MOR Mpa Porosidad (%) po ros (mieras) 1 40.4 0.49 2 27.6 50.7 0.60 3 14.9 58.6 1.17 4 6.7 68.6 3.88 6 1-75 75.8 5.54 7 1.6 82.1 8.43 8 28.7 40.3 1.07 9 7.4 57.1 1.91 10 3.1 60-2 10.21 11 <0.7 85.0 13.93 *

Claims (10)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un separador cerámico, poroso, rígido, tubular, para un montaje de batería recargable de descarga profunda, teniendo el separador una porosidad mayor de 40%.

2.- Un separador tubular de conformidad con la 1, que consta de dos cuerpos semicilíndrícos cerámica porosa, sellados en sus periferias laterales.

3.- Un elemento de batería que consta de un separador cerámico, poroso, rígido, tubular, que tiene una porosidad mayor de 40%, un material activo positivo que llena el interior del separador y un electrodo positivo incrustado y que se extiende del material activo positivo. c~

4.- Un elemento de batería de conformidad con la 'reivindicación 3, caracterizado porque el separador está formado corno dos cuerpos sernicilindricos anulares, se llena cada cuerpo con un material activo positivo, se incrusta un electrodo positivo en el material activo y se sellan los dos cuerpos.

5.- Un elemento de batería de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque se conecta el electrodo a un terminal común a una multitud de elementos individuales.

6.- En una batería de descarga profunda que consta de ?ß a multitud de elementos tubulares individuales de batería, sostenidos en un montaje y que tiene un terminal común, constando cada elemento individual de batería de un separador cerámico, poroso, rígido, tubular que tiene una porosidad de más de 40%, un material activo positivo que llena el interior del separador, y un electrodo positivo incrustado y que se extiende del material activo positivo.

7.- Una batería de descarga profunda de conformidad gQn la reivindicación 5, caracterizada porque al menos un elemento individual se forma de dos cuerpos sernicilíndricos anulares, se llena cada cuerpo con un material activo positivo, se incrusta un electrodo positivo del material activo y se sellan los dos cuerpos.

8.- Una batería de descarga profunda y de peso ligero, de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el separador cerámico, poroso, rígido provee un soporte estructural que reemplaza el soporte estructural proveído por l material de la rejilla de plomo

9.- Un elemento de batería de conformidad con las reivindicaciones 1, 3 ó 6, caracterizado porque el separador cerámico está compuesto de material seleccionado de entre la alúmina, la mulita, y mezclas de las mismas.

10.- Un elemento de batería de conformidad con las reivindicaciones 1, 3 ó 6, caracterizado porque el separador tiene una porosidad mayor de 60%.