PL188589B1 - Przekładka absorpcyjna do akumulatorów ołowiowych - Google Patents

Abstract

1. Przekladka absorpcyjna do akumu- latorów olowiowych zaopatrzonych w za- wór, zawierajaca pierwsza warstwe z wló- kien szklanych, która ma pierwsza po- wierzchnie, druga warstwe z wlókien szkla- nych, która ma druga powierzchnie zwróco- na w strone pierwszej powierzchni, oraz co najmniej jedno pasmo zywicy syntetycznej znajdujace sie miedzy pierwsza i druga war- stwa, które laczy ze soba wspomniane dwie warstwy, znamienna tym, ze pierwsza i druga powierzchnia zawieraja co najmniej jedna czesc, która nie jest pokryta zywica syntetyczna. Fig. 1 PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest przekładka absorpcyjna do akumulatorów ołowiowych, w szczególności stosowana w bateriach, których akumulatory ołowiowe zaopatrzone są w zawór.

Ołowiowe akumulatory elektryczne są używane do magazynowania energii elektrycznej w postaci energii chemicznej.

Ten typ akumulatora może być wielokrotnie ładowany i rozładowywany. Niektóre akumulatory mogą być poddawane kilkuset lub nawet tysiącom cykli ładowania - rozładowania zanim ilość energii elektrycznej dostarczana podczas rozładowywania nie będzie zbyt niska. Normalnie, ta granica sprawności elektrycznej wynosi 80% nominalnej pojemności akumulatora.

188 589

Obsługa typowego elektrycznego akumulatora ołowiowego polega na uzupełnianiu wody, której ubywa wskutek elektrolizy i parowania zwłaszcza podczas cyklu rozładowywania.

Dla wyeliminowania konieczności uzupełniania wody, opracowano akumulator z zaworem, znany także pod nazwą akumulatora z rekombinacją gazów. Ten typ akumulatora z powodzeniem znacznie zmniejsza straty wody, a to dzięki rekombinacji tlenu, który wytwarza się w akumulatorze pod koniec cyklu rozładowywania.

Tlen powstaje pod koniec rozładowywania na płytach dodatnich poprzez elektrolizę wody zawartej w elektrolicie. Ten gaz zapełnia akumulator i przemieszcza się ku płytom ujemnym. Tlen jest redukowany na ich powierzchni i następnie wprowadzony do elektrolitu poprzez szereg reakcji elektrochemicznych.

Redukcja tlenu możliwa jest dzięki temu, że akumulator jest zaopatrzony w zawór, który uniemożliwia ucieczkę tlenu z akumulatora i który utrzymuje wewnątrz akumulatora ciśnienie lekko podwyższone w stosunku do ciśnienia atmosferycznego. To nadciśnienie wewnątrz akumulatora uniemożliwia dopływ gazów atmosferycznych do akumulatora.

Wewnętrzna recyrkulacja tlenu możliwa jest tylko wówczas, gdy elektrolit jest unieruchomiony i jeżeli gazy znajdują puste przestrzenie, w których mogą krążyć. Istnieją dwa znane dotychczas środki unieruchamiania elektrolitu:

- galaretowacenie elektrolitu krzemionką

- stosowanie przekładek absorpcyjnych, które zatrzymują elektrolit.

Akumulatory zaopatrzone w zawór zawierają giętkie i porowate przekładki, które znajdują się między płytami o przeciwnej biegunowości. Przekładki absorbują i utrzymują elektrolit, ciekły kwas, tak aby ogólnie cały elektrolit został absorbowany w porach przekładek i jedynie bardzo cienka warstewka elektrolitu pozostała na płytach akumulatorów. Przekładki utrzymują elektrolit blisko płyt niezależnie od położenia akumulatora.

Stopień nasycenia porów przekładki absorpcyjnej przez elektrolit nie powinien przekraczać 95%, ponieważ potrzebne są wolne przestrzenie, aby tlen mógł przeniknąć przez przekładkę, przechodząc z płyt dodatnich, gdzie się wytwarza do płyt ujemnych, gdzie jest zużywany poprzez redukcję i ponownie wprowadzany do elektrolitu w wyniku szeregu reakcji elektrochemicznych.

Przekładki absorpcyjne odgrywają bardzo ważną rolę w procesie recyrkulacji tlenu, ponieważ unieruchamiając elektrolit w ich porach, pozwalają na dostęp tlenu do powierzchni płyt ujemnych, gdzie jest on redukowany poprzez reakcje elektrochemiczne.

Tradycyjnie, przekładka absorpcyjna jest wykonana na bazie mikrowłókien szklanych mających dużą odporność na utlenianie. Mikrowłókna szklane bardzo szybko i całkowicie nasączają się elektrolitem (kwasem siarkowym) podczas napełniania baterii.

W przeszłości stosowano różne mieszaniny włókien, na przykład mieszaniny włókien szklanych grubych i włókien szklanych cienkich z włóknami organicznymi lub bez. Włókna są stosowane w takich proporcjach, aby zatrzymywały wystarczającą ilość elektrolitu.

W opisie patentowym USA 4465748 przedstawiono na przykład przekładki z włókien szklanych zawierające między 5 i 35% wagowych włókien szklanych o średnicy poniżej 1 mikrona i resztę z włókien mających większe średnice.

Własności fizyczne i mechaniczne włóknistych przekładek absorpcyjnych z mikrowłókien szklanych zależą bardzo od zawartości cienkich mikrowłókien a także sposobu ułożenia tych włókien.

Jedną z pożądanych własności tego typu przekładki jest możliwość jej zgrzewania i umożliwienie formowania kieszeni dla owinięcia płyt. Zgrzewanie przekładek jest możliwe dzięki użyciu włókien syntetycznych zmieszanych z mikrowłóknami szklanymi. Przeważnie używa się takich włókien w ilości między 5% i 40%. Włókna syntetyczne mogą być topione w taki sposób, aby połączyć przekładki. Inna technologia łączenia dwóch przekładek polega na ich dociśnięciu w pewnych miejscach aż do ich połączenia. Przekładki te zawierają między 5% i 40% wagowych włókien syntetycznych, które mogą stopić się pod wpływem ciepła, lub które mogą się odkształcić podczas ściskania. Technologia ta jest znana z francuskiego zgłoszenia patentowego FR 2677672.

W dokumencie USA 3753784 opisano przekładkę do baterii nie wymagającej obsługi, składającą się z przynajmniej trzech warstw, które są dostatecznie porowate, aby mogły gro4

188 589 madzić elektrolit, przy czym co najmniej jedna warstwa wykonana jest z materiału mikroporowatego i nie pozwala na migrację jonów metali ciężkich. Wewnętrzna warstwa jest wykonana z materiałU porowatego, uzyskanego przez spojenie i spiekanie ziemi okrzemkowej, żelu silikonowego, papieru lub celulozy ze spoiwem, którym może być między innymi żywica syntetyczna.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie przekładki do baterii, zawierającej szklane mikrowłókna i mającej lepsze własności mechaniczne, niż tradycyjne przekładki tego typu.

Przekładka absorpcyjna do akumulatorów ołowiowych zaopatrzonych w zawór, według wynalazku zawiera pierwszą warstwę z włókien szklanych, która ma pierwszą powierzchnię, drugą warstwę z włókien szklanych, która ma drugą powierzchnię zwróconą w stronę pierwszej powierzchni, oraz co najmniej jedno pasmo żywicy syntetycznej znajdujące się między pierwszą i drugą warstwą, które łączy ze sobą wspomniane dwie warstwy.

Przekładka według wynalazku charakteryzuje się tym, że pierwsza i druga powierzchnia zawierają co najmniej jedną część, która nie jest pokryta żywicą syntetyczną.

Pasmo żywicy korzystnie zawiera akrylan butylu.

Pasmo żywicy może również zawierać włókna szklane przesączone żywicą.

Grubość pasma żywicy korzystnie zawarta jest między 0,01 mm i 1 mm, najlepiej między 0,05 mm a 0,15 mm.

Szerokość pasma żywicy korzystnie zawarta jest między 1 i 20 mm, najlepiej miedzy 3 mm a 10 mm.

Pierwsza warstwa korzystnie zawiera ponad 50% włókien szklanych o przeciętnej średnicy mniejszej od 1 mikrona.

W innym korzystnym wariancie włókna szklane pierwszej warstwy mają przeciętną średnicę większą od 0,4 mikrona.

Również korzystnie, grubość pierwszej warstwy jest zawarta między 20 i 50% grubości całkowitej przekładki.

Druga warstwa korzystnie zawiera ponad 50% włókien szklanych o przeciętnej średnicy większej od 1 mikrona, ewentualnie druga warstwa zawiera również włókna szklane mające przeciętną średnicę większą od 5 mikronów.

Sposób wytwarzania przekładki według wynalazku, zawierającej pierwszą warstwę z włókien szklanych, która ma pierwszą powierzchnię, drugą warstwę z włókien szklanych, która ma drugą powierzchnię zwróconą w stronę pierwszej powierzchni, między które wprowadza się co najmniej jedno pasmo żywicy syntetycznej, które łączy ze sobą wspomniane dwie warstwy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że układa się na podłożu warstwę dolną zawierającą zasadniczo włókna, nakłada się na wymienioną pierwszą warstwę co najmniej jedno pasmo żywicy syntetycznej i następnie układa się warstwę górną zawierającą zasadniczo włókna, na paśmie żywicy dociskając warstwy tak, aby zostały połączone ze sobą, przy czym na pierwszej i drugiej powierzchni pozostawia się co najmniej jedną część, która nie jest pokryta żywicą syntetyczną.

Korzystnie, pasmo żywicy syntetycznej nakłada się w postaci lepkiego płynu rozprowadzonego na pierwszej warstwie z włókna.

Włókna można mieszać z wodą i układać na macie przepuszczającej wodę.

Dzięki pasmu żywicy syntetycznej, która pokrywa całkowicie bądź tylko częściowo powierzchnię pierwszej warstwy zwiększona jest stabilność przekładki. Taka przekładka absorpcyjna odznacza się wyższą wytrzymałością na rozciąganie, niż wytrzymałość tradycyjnych przekładek jednowarstwowych z włókien szklanych z tym samym składem włókien. Stwierdzono, że wytrzymałość na rozerwanie na skutek siły rozciągającej jest znacznie zwiększona. Dla identycznych składów mikrowłókien zmierzono, że wytrzymałość na rozerwanie może być potrojona i zwiększa się z 0,5 kN/m do 1,5 kN/m. Ponadto, pasmo żywicy syntetycznej pozwala uzyskać wydłużenie 4% zamiast 1% dla podobnych przekładek nie zawierających takiego pasma. Można więc stosować przekładki wytwarzane z materiału stosunkowo słabego dla zastosowań w których wymagana jest wytrzymałość na rozciąganie taka, jak w zautomatyzowanych maszynach owijających elektrody akumulatorów.

Żywica syntetyczna jest korzystnie żywicą termoutwardzalną W wyniku suszenia przekładki w temperaturze bliskiej 100°C żywica traci wodę tworząc bardzo wytrzymałą warstewkę plastycz188 589 ną, zdolną do zgrzania zespołu warstw przekładki. Ponadto, żywica ta pozwala zgrzewać dwie różne przekładki, nałożone razem dla uformowania kieszeni, w które można włożyć elektrody. Zgrzewanie można wykonać na przykład środkami mechanicznymi, przez nagrzewanie, itd.

Pasmo może być w jednym kawałku, lub może być podzielone wzdłuż tworząc dwa lub kilka pasm. Najczęściej, szerokość jednego pasma żywicy jest zawarta między 1 mm i 20 mm a korzystnie między 3 mm i 10 mm.

Warstwy z mikrowłókien szklanych mogą być identyczne lub różne. Warstwy przekładki zawierają włókna szklane mające przeciętną średnicę zawartą między 0,2 pm i 13 pm. Typowy skład każdej warstwy jest następujący: 0%-60% włókien szklanych mających przeciętną średnicę mniejszą od 1 pm (0,2 pm do 0,8 pm), 0%-70% włókien szklanych mających przeciętną średnicę zawartą między 1 pm i 10 pm (2 pm do 4 pm), oraz 5%-10% włókien szklanych mających przeciętną średnicę zawartą między 10 pm i 13 pm.

Skład każdej warstwy może zmieniać się zależnie od pożądanych własności przekładki. Dwie warstwy mogą być identyczne lub różne.

Dzięki większej porowatości warstwy zawierającej włókna mające przeciętną średnicę większą od 1 mikrona, pasmo żywicy lepiej się przyczepia.

Układa się korzystnie sukcesywnie włókna zmieszane z wodą na przepuszczającym wodę dywanie. Po ułożeniu drugiej warstwy włókien, przekładkę dociska się tak, aby złączyć nałożone warstwy i następnie suszy się ją.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania przedstawionych na rysunku, na którym: fig. 1 pokazuje przekładkę zawierającą dwa pasma żywicy syntetycznej, a fig. 2 pokazuje schemat obrazujący wytwarzanie przekładki wielowarstwowej wzmocnionej przez nałożenie zaprawy z żywicy akrylowej.

Figura 1 pokazuje przekładkę wielowarstwową 10 zawierającą pierwszą warstwę obejmującą zasadniczo włókna o przeciętnej średnicy mniejszej od 1 mikrona, drugą warstwę obejmującą zasadniczo włókna o przeciętnej średnicy większej od 1 mikrona jak również dwa pasma 12 żywicy syntetycznej umieszczone między pierwszą i drugą warstwą. W przypadku pokazanym na fig. 1, pasma 12 są umieszczone na bokach przekładki 10, tak aby wzmocnić jej brzegi. Każde pasmo 12 ma grubość około 0,1 mm i szerokość zawartą między 3 i 10 mm. Wykonane są z żywicy akrylowej i wzmacniają przekładkę 10.

Figura 2 pokazuje schematycznie wytwarzanie przekładki wielowarstwowej.

Układa się na podłożu (nie pokazanym) warstwę dolną 14 zawierającą zasadniczo włókna o przeciętnej średnicy zawartej między 0,2 pm i 13 pm. Następnie, co najmniej jedno pasmo 12 żywicy syntetycznej układane jest w postaci lepkiego płynu, za pomocą dystrybutora 16, na części wymienionej pierwszej warstwy 14, a następnie na warstwie dolnej 14 i na paśmie żywicy 12 układana jest druga warstwa 18, zawierająca zasadniczo włókna o przeciętnej średnicy zawartej między 0,2 pm i 13 pm.

Włókna są mieszane z wodą następnie układane na dywanie przepuszczającym wodę. Po nałożeniu dwóch warstw i pasem żywicy, przekładka jest dociskana za pomocą wałka (nie pokazanego) dla usunięcia nadwyżki wody oraz połączenia warstw i pasma lub pasm. Wzmocnienie przekładki pasmami żywicy pozwała zwiększyć jeszcze wytrzymałość na rozciąganie. Wzrasta ona z 0,5 kN/m do 1,5 kN/m.

Znacznie zwiększa się również wydłużenie, które wzrasta z 1% do około 4%.

Wartości wytrzymałości na rozerwanie (wytrzymałości na rozciąganie) zostały wyznaczone według metod dobrze znanych w przemyśle wytwarzania przekładek i papieru. Niniejsze pomiary zostały wykonane według testów opracowanych przez BCI (Battery Council International) REF. Tappi T495. W skrócie, test ten przewiduje umieszczenie pasma 25 mm * 150 mm między dwiema szczękami rozsuniętymi na odległość 102 mm. Pasmo jest rozciągane podczas testu z prędkością 25 +/- 5 mm/min. Wytrzymałość na rozerwanie mierzona jest w Newtonach, przy czym wyznaczane są również punkt zerwania i wydłużenie przy zerwaniu.

Badana próbka przekładki bez żywicy wykazała wytrzymałość na rozerwanie 5 N, podczas gdy badana próbka zawierająca pasmo żywicy według wynalazku wykazała wytrzymałość na rozerwanie 37,5 N. Próbka miała szerokość 25 mm, co stanowi ekwiwalent wytrzymałości na rozerwanie 1,5 kN/m.

188 589

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Przekładka absorpcyjna do akumulatorów ołowiowych zaopatrzonych w zawór, zawierająca pierwszą warstwę z włókien szklanych, która ma pierwszą powierzchnię, drugą warstwę z włókien szklanych, która ma druga powierzchnię zwróconą w stronę pierwszej powierzchni, oraz co najmniej jedno pasmo żywicy syntetycznej znajdujące się między pierwszą i drugą, warstwą, które łączy ze sobą wspomniane dwie warstwy, znamienna tym, że pierwsza i druga powierzchnia zawierają co najmniej jedną część, która nie jest pokryta żywicą, syntetyczną.

   '
2. 2. Przekładka według zastrz. 1, znamienna tym, że pasmo żywicy zawiera akrylan butylu.
3. 3. Przekładka według zastrz. 1, znamienna tym, że pasmo zawiera włókna szklane przesączone żywicą.
4. 4. Przekładka według zastrz. 1, znamienna tym, że grubość pasma z żywicy jest zawarta między 0,01 mm i 1 mm, korzystnie między 0,05 mm a 0,15 mm.
5. 5. Przekładka według zastrz. 1, znamienna tym, że szerokość pasma żywicy jest zawarta między 1 i 20 mm, korzystnie między 3 mm a 10 mm.
6. 6. Przekładka według zastrz. 1, znamienna tym, ze pierwsza warstwa zawiera ponad 50% włókien szklanych o przeciętnej średnicy mniejszej od 1 mikrona.
7. 7. Przekładka według zastrz. 1, znamienna tym, że włókna szklane pierwszej warstwy mają przeciętną średnicę większą od 0,4 mikrona.
8. 8. Przekładka według zastrz. 1, znamienna tym, że grubość pierwszej warstwy jest zawarta między 20 i 50% grubości całkowitej przekładki.
9. 9. Przekładka według zastrz. 1, znamienna tym, że druga warstwa zawiera ponad 50% włókien szklanych o przeciętnej średnicy większej od 1 mikrona.
10. 10. Przekładka według zastrz. 1, znamienna tym, że druga warstwa zawiera również włókna szklane mające przeciętną średnicę większą od 5 mikronów.
11. 11. Sposób wytwarzania przekładki zawierającej pierwszą warstwę z włókien szklanych, która ma pierwszą powierzchnię, drugą warstwę z włókien szklanych, która ma drugą powierzchnię zwróconą w stronę pierwszej powierzchni, między które wprowadza się co najmniej jedno pasmo żywicy syntetycznej, łączące ze sobą wspomniane dwie warstwy, znamienny tym, że układa się na podłożu warstwę dolną zawierającą zasadniczo włókna, nakłada się na wymienioną pierwszą warstwę co najmniej jedno pasmo żywicy syntetycznej i następnie układa się warstwę górną zawierającą zasadniczo włókna, na paśmie żywicy dociskając warstwy tak, aby zostały połączone ze sobą, przy czym na pierwszej i drugiej powierzchni pozostawia się co najmniej jedną część, która nie jest pokryta żywicą syntetyczną.
12. 12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że pasmo żywicy syntetycznej nakłada się w postaci lepkiego płynu rozprowadzonego na pierwszej warstwie z włókna.
13. 13. Sposób według z zastrz. 11, znamienny tym, że włókna miesza się z wodą i układa się na macie przepuszczającej wodę.