ES2873096T3

ES2873096T3 - Rejillas de empastado antisulfatación para baterías de plomo-ácido

Info

Publication number: ES2873096T3
Application number: ES15734756T
Authority: ES
Inventors: Robert Huusken
Original assignee: OCV Intellectual Capital LLC
Current assignee: Owens Corning Intellectual Capital LLC
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2021-11-03
Anticipated expiration: 2035-06-17
Also published as: MY187574A; MX2016016729A; CA2952434A1; CN106463681B; JP2017526107A; PL3158598T3; EP3158598B1; US11380962B2; US20170207435A1; JP6814045B2; KR20170018906A; KR102466592B1; CN106463681A; RU2686667C1; BR112016029242A2; EP3158598A1; BR112016029242B1; WO2015195743A1; BR112016029242B8; CA2952434C

Abstract

Rejilla de empastado de fibras no tejidas que comprende: una pluralidad de fibras revestidas con una composición de apresto, en donde la composición de apresto se recubre sobre la pluralidad de fibras mediante un procedimiento que incluye la aplicación sobre la pluralidad de fibras de una suspensión o emulsión de base acuosa que comprende uno o más de un agente formador de película, un agente de acoplamiento, un lubricante y un tensioactivo; una composición de aglutinante aplicada sobre las fibras revestidas; y uno o más compuestos activos capaces de reducir la sulfatación en una batería de plomo-ácido, estando incluidos dichos compuestos activos en al menos una de dicha composición de apresto y dicha composición de aglutinante y comprendiendo uno o más de sulfosuccinato (di-octilo); alcohol polivinílico; sílice coloidal; poliacrilamida; ácido fosfónico; ácido poliacrílico; éster de fosfato; ácido policarboxílico; compuestos aniónicos poliméricos; hexametilen diaminotetrakis-(ácido metilenfosfónico); quitina; quitosano; inulina; ácido poliaspártico; polisuccinimida; iminodisuccinato; copolímero de ácido maleico/ácido acrílico; copolímero de ácido maleico/acrilamida; ácido húmico; sal de calcio de polímeros de ácido naftalenosulfónico condensado con formaldehído; sal de sodio de naftaleno sulfonado condensado; ácido perfluoroalquilsulfónico y celulosa.

Description

DESCRIPCIÓN

Rejillas de empastado antisulfatación para baterías de plomo-ácido

Campo de la invención

Los conceptos generales de la invención se refieren a baterías de plomo-ácido y, más en particular, a rejillas de fibras no tejidas para su uso en baterías de plomo-ácido. Las rejillas de fibras no tejidas reducen la aparición de sulfatación en las baterías de plomo-ácido.

Antecedentes

Las baterías de plomo-ácido se encuentran entre las baterías recargables más comúnmente utilizadas debido a su capacidad para suministrar altas corrientes, al tiempo que tienen costes de producción relativamente bajos. Las baterías de plomo-ácido se utilizan principalmente en el sector de arranque, iluminación e ignición de automóviles (SLI) y en otros sectores industriales debido a su alta capacidad de descarga. Las baterías de plomo-ácido convencionales incluyen un electrodo positivo (placa de PbÜ2) y un electrodo negativo (placa de Pb esponjoso) sumergido en un electrolito de ácido sulfúrico. Puede disponerse un separador entre las placas positiva y negativa. La función de los separadores no es solo proporcionar una separación mecánica entre las placas positiva y negativa, sino también evitar cortocircuitos entre los electrodos y permitir la conducción iónica. Hay muchas formas diferentes de electrodos. En algunos casos, los electrodos consisten en placas de plomo o aleación de plomo con una estructura similar a una rejilla. Puede usarse una pasta de material activo que consta de óxidos de plomo y ácido sulfúrico para rellenar los agujeros de la rejilla de la placa positiva. La pasta de material activo es porosa, permitiendo así que el ácido reaccione con el plomo dentro de la placa, lo que aumenta el área de superficie de los electrodos. La pasta se seca y los electrodos positivo y negativo se activan mediante un procedimiento electroquímico.

Durante la descarga, tanto las placas positivas como las negativas reaccionan con el material de electrolito ácido provocando que el sulfato de plomo (II) (PbSÜ4) recubra las placas. El sulfato de plomo es un material blando que se puede volver a convertir en plomo y ácido sulfúrico, siempre que la batería descargada se vuelva a conectar a un cargador de batería de manera oportuna. A medida que se aplica corriente para recargar una batería de plomoácido, el sulfato de plomo se revierte parcialmente a plomo y óxido de plomo. Esta reversión parcial a sus estados originales "recarga" los electrodos positivo y negativo.

Si una batería de plomo-ácido se deja descargada durante un periodo de tiempo prolongado, el sulfato de plomo comenzará a formar cristales duros y recubrirá la superficie de las placas de los electrodos. Tal periodo de exposición prolongada al sulfato de plomo puede ocurrir, por ejemplo, cuando una batería de plomo-ácido se ve privada de una carga completa. Debido a que el sulfato de plomo duro es un material no conductor, cuando recubre las placas de los electrodos, provoca una reducción en el área necesaria para las reacciones electroquímicas. Además, los cristales grandes pueden reducir el material activo de la batería que es responsable de la alta capacidad y baja resistencia.

Ha habido numerosos intentos de reducir la sulfatación perjudicial en baterías de plomo-ácido. Por ejemplo, se ha aplicado papel a la placa para controlar el material activo en la rejilla. Por ejemplo, tradicionalmente, se puede aplicar un papel celulósico a las placas para ayudar a esparcir la pasta de material activo, mantener la humedad en la placa antes del secado y mantener la pasta en la rejilla antes de montar la batería. Sin embargo, debido a la interferencia del empastado con el rendimiento de la batería, el papel se desecha antes del montaje de la batería o se degrada durante el uso. Esto a menudo causa una interrupción en el funcionamiento de la batería al interferir con las reacciones químicas y/o obstruir los electrodos.

El documento US20050003736 divulga una rejilla de empastado para fabricar electrodos de batería. El documento EP96371 divulga una rejilla de fibra utilizada como separador en una batería de plomo-ácido.

Sumario

En las reivindicaciones adjuntas se definen una rejilla de empastado de fibras no tejidas, una batería de plomo-ácido que comprende la misma y un procedimiento para formar la rejilla según la invención.

Varios aspectos de los conceptos generales de la invención se refieren a una rejilla de empastado de fibras no tejidas para baterías de plomo-ácido. Las rejillas de empastado de fibras no tejidas incluyen una pluralidad de fibras de vidrio revestidas con una composición de apresto, una composición de aglutinante aplicada sobre las fibras revestidas y uno o más compuestos activos capaces de reducir la sulfatación en baterías de plomo-ácido.

Los compuestos activos se incluyen en al menos una de la composición de apresto y la composición de aglutinante. Los compuestos activos comprenden uno o más de sulfosuccinato (di-octilo); alcohol polivinílico; sílice coloidal; poliacrilamida; ácido fosfónico; ácido poliacrílico, tal como policarboxilato y polielectolito aniónico; éster de fosfato; ácido policarboxílico, tal como acrílico, maleico, láctico, tartárico, etc.; compuestos aniónicos poliméricos, tales como ácido polivinilsulfónico y ácido poli(met)acrílico; hexametilen diaminotetrakis-(ácido metilenfosfónico); quitina; quitosano; inulina; ácido poliaspártico; polisuccinimida; iminodisuccinato; copolímero de ácido maleico/ácido acrílico; copolímero de ácido maleico/acrilamida; ácido húmico; sal de calcio de polímeros de ácido naftalenosulfónico condensado con formaldehído; sal de sodio de naftaleno sulfonado condensado; ácido perfluoroalquilsulfónico y celulosa.

Varios aspectos de los conceptos generales de la invención se dirigen a una batería de plomo-ácido que incluye al menos un electrodo positivo y al menos un electrodo negativo sumergido dentro de un electrolito y una rejilla de empastado de fibra de vidrio no tejida que cubre al menos parcialmente una superficie de al menos uno de los electrodos positivo y negativo. La rejilla de empastado de fibras no tejidas incluye una pluralidad de fibras de vidrio revestidas con una composición de apresto, una composición de aglutinante aplicada sobre las fibras revestidas y uno o más compuestos activos (tal como se ha definido anteriormente) capaces de reducir la formación de sulfato de plomo en dicho electrodo negativo, estando incluidos dichos compuestos activos en al menos una de la composición de apresto y la composición de aglutinante.

Varias realizaciones a modo de ejemplo de los conceptos generales de la invención se dirigen, además, a un procedimiento para formar una rejilla de empastado antisulfatación para su uso en una batería de plomo-ácido. El procedimiento incluye dispersar una pluralidad de fibras (de vidrio) en una suspensión acuosa, recubriéndose dichas fibras (de vidrio) con una composición de apresto; depositar la suspensión sobre un tamiz en movimiento; aplicar un aglutinante sobre la suspensión depositada; y calentar la suspensión revestida de aglutinante, curando así el aglutinante y formando una rejilla de empastado no tejida. La rejilla de empastado incluye uno o más compuestos activos (tal como se ha definido anteriormente) incluidos en al menos una de la composición de apresto y el aglutinante.

En algunas realizaciones a modo de ejemplo, la rejilla de empastado de fibras no tejidas es capaz de aumentar el ciclo de vida de una batería de plomo-ácido en al menos un 10 % en comparación con una batería por lo demás comparable sin la rejilla de empastado.

Características y ventajas adicionales se expondrán, en parte, en la descripción que sigue y, en parte, pueden resultar obvias a partir de la descripción, o pueden aprenderse mediante la práctica de las realizaciones a modo de ejemplo divulgadas en el presente documento. Los objetos y ventajas de las realizaciones a modo de ejemplo divulgadas en el presente documento se realizarán y alcanzarán por medio de los elementos y combinaciones señalados particularmente en las reivindicaciones adjuntas. Debe entenderse que tanto el resumen anterior como la siguiente descripción detallada son a modo de ejemplo y explicativos solamente y no son restrictivos de los conceptos inventivos generales que se divulgan en el presente documento o se reivindican.

Descripción de los dibujos

Las realizaciones de ejemplo de la invención resultarán evidentes a partir de la descripción más particular de ciertas realizaciones de ejemplo de la invención que se proporcionan a continuación y tal como se ilustra en los dibujos adjuntos.

La Figura 1 ilustra gráficamente la resistencia eléctrica normalizada sobre 0,10 mm de espesor para rejillas de fibras no tejidas a modo de ejemplo preparadas de acuerdo con la presente invención.

Descripción detallada

A continuación, se describirán con más detalle varias realizaciones a modo de ejemplo, con referencias ocasionales a los dibujos adjuntos. Sin embargo, estas realizaciones a modo de ejemplo pueden realizarse de diferentes formas y no deben interpretarse como limitadas a las descripciones expuestas en el presente documento. Más bien, estas realizaciones a modo de ejemplo se proporcionan para que esta divulgación sea minuciosa y completa, y transmita los conceptos inventivos generales a los expertos en la materia.

A menos que se defina lo contrario, todos los términos técnicos y científicos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende comúnmente un experto en la materia a la que pertenecen estas realizaciones a modo de ejemplo. La terminología utilizada en la descripción del presente documento es para describir únicamente realizaciones a modo de ejemplo particulares y no pretende ser una limitación de las mismas. Tal como se utilizan en la memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una" y "el", “la” pretenden incluir también las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. A menos que se indique lo contrario, todos los números que expresan cantidades de ingredientes, condiciones de reacción, etc. utilizados en la memoria descriptiva y las reivindicaciones deben entenderse como modificados en todos los casos por el término "aproximadamente". Por consiguiente, a menos que se indique lo contrario, los parámetros numéricos establecidos en la memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas son aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas que se buscan obtener mediante las presentes realizaciones a modo de ejemplo. Cada parámetro numérico debe interpretarse a la luz del número de dígitos significativos y los procedimientos de redondeo ordinarios.

A pesar de que los intervalos numéricos y los parámetros que establecen el amplio alcance de las realizaciones a modo de ejemplo son aproximaciones, los valores numéricos establecidos en los ejemplos específicos se presentan con la mayor precisión posible. Sin embargo, cualquier valor numérico contiene inherentemente ciertos errores que resultan necesariamente de la desviación estándar encontrada en sus respectivas mediciones de prueba. Cada intervalo numérico facilitado a lo largo de esta memoria descriptiva y reivindicaciones incluirá cada intervalo numérico más estrecho que se encuentre dentro de un intervalo numérico más amplio, como si tales intervalos numéricos más estrechos estuvieran todos expresamente consignados en el presente documento.

Los conceptos inventivos generales se refieren a una rejilla de fibras no tejidas, tal como una rejilla de empastado o una rejilla de retención u otras baterías. La rejilla de fibras no tejidas puede comprender una pluralidad de fibras de refuerzo combinadas en forma de una lámina. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, las fibras de refuerzo están hechas de vidrio. Sin embargo, las fibras de refuerzo también pueden incluir fibras sintéticas o una combinación de fibras de vidrio y fibras sintéticas. El término fibra sintética, tal como se utiliza en el presente documento, pretende incluir cualquier fibra sintética que tenga características de refuerzo adecuadas, incluyendo fibras hechas de polímeros adecuados tales como, por ejemplo, poliésteres, poliolefinas, nailon, aramidas, poli(sulfuro de fenileno) y fibras adecuadas que no sean de vidrio, tales como carbono, carburo de silicio (SiC) y nitruro de boro.

Las fibras de vidrio se pueden formar a partir de cualquier tipo de vidrio adecuado para una aplicación particular y/o especificaciones de producto deseadas, incluyendo vidrios convencionales. Ejemplos no exclusivos de fibras de vidrio incluyen fibras de vidrio de tipo A, fibras de vidrio de tipo C, fibra de vidrio de tipo G, fibras de vidrio de tipo E, fibras de vidrio de tipo S, fibras de vidrio de tipo E-CR (por ejemplo, fibras de vidrio Advantex® comercialmente disponibles de Owens Corning), fibras de vidrio de tipo R, fibras de vidrio de lana, fibras de vidrio biosolubles y combinaciones de las mismas, que pueden usarse como fibras de refuerzo. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, las fibras de vidrio son duraderas en un entorno ácido.

La rejilla de fibra de vidrio no tejida puede comprender una rejilla única, o más de una rejilla, por ejemplo, dos, tres, cuatro o cinco rejillas, que pueden emplearse en una sola batería de plomo-ácido. Cada rejilla de fibra de vidrio no tejida puede comprender una sola capa o puede estar compuesta por más de una capa, por ejemplo, dos, tres, cuatro o cinco capas. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, la rejilla de fibra no tejida comprende una rejilla de empastado de fibra de vidrio no tejida. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, la rejilla de fibras no tejidas comprende una rejilla de retención de fibra de vidrio no tejida.

En algunas realizaciones a modo de ejemplo, las fibras de vidrio tienen un diámetro de al menos 0,2 micrómetros, tal como de 0,2 a 30 micrómetros. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, las fibras de vidrio tienen un diámetro de aproximadamente 1 micrómetro a aproximadamente 25 micrómetros, o de aproximadamente 6 a aproximadamente 23 micrómetros.

Las fibras de vidrio pueden formarse estirando vidrio fundido en filamentos a través de un casquillo o placa de orificios y aplicando una composición de apresto a los filamentos a medida que se solidifican. La composición de apresto proporciona protección a las fibras contra la abrasión entre filamentos y favorece la compatibilidad entre las fibras de vidrio y la matriz en la que se van a utilizar las fibras de vidrio. Después de aplicar la composición de apresto, las fibras se pueden juntar en una o más hebras y enrollar en un paquete o, de manera alternativa, las fibras se pueden cortar mientras están húmedas con el apresto y pueden recogerse. Las hebras cortadas recogidas pueden secarse luego para formar fibras cortadas secas o pueden empaquetarse en su estado húmedo como fibras húmedas cortadas.

Las composiciones de apresto utilizadas para revestir fibras de vidrio son composiciones de base acuosa, tales como suspensiones o emulsiones. La suspensión o emulsión tiene un contenido de sólidos que puede estar compuesto por uno o más de un agente formador de película, un agente de acoplamiento, un lubricante y un tensioactivo. Un agente formador de película puede funcionar para mantener juntos los filamentos individuales con el fin de formar fibras y proteger los filamentos contra los daños causados por la abrasión. Entre los agentes formadores de película aceptables se encuentran, por ejemplo, acetatos de polivinilo, poliuretanos, poliolefinas modificadas, poliésteres epóxidos y mezclas de los mismos. Se puede incluir un agente de acoplamiento en una composición de apresto para mejorar la adhesión de la composición de apresto con un material de matriz cuando se forma un compuesto, para mejorar las propiedades del compuesto. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el agente de acoplamiento es un silano organofuncional.

Se pueden incluir aditivos adicionales en las composiciones de apresto, dependiendo de la aplicación pretendida. Dichos aditivos incluyen, por ejemplo, antiestáticos, agentes humectantes, antioxidantes y modificadores del pH.

De acuerdo con los conceptos generales de la invención, la rejilla de fibra de vidrio no tejida se puede producir utilizando fibras continuas o cortadas, o una combinación de fibras continuas y cortadas. Las fibras cortadas o hebras de fibra tienen longitudes que pueden variar dependiendo de un procedimiento y/o aplicación particular. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, las fibras/hebras cortadas tienen una longitud de aproximadamente 3 a aproximadamente 60 mm.

Las rejillas de fibras no tejidas (vidrio) pueden formarse de acuerdo con cualquiera de los procedimientos conocidos para producir rejillas de fibras (vidrio), tales como procesamiento de tendido en húmedo y procesamiento de tendido en seco. En un procesamiento de tendido en húmedo, se proporciona una suspensión de agua (es decir, "agua blanca") en la que se dispersan las fibras (de vidrio). El agua blanca puede contener dispersantes, modificadores de la viscosidad, agentes antiespumantes u otros agentes químicos. A continuación, la suspensión que contiene las fibras (de vidrio) se deposita sobre un tamiz en movimiento y se elimina una cantidad sustancial de agua. A continuación, se aplica un aglutinante sobre la suspensión depositada y la suspensión resultante revestida con aglutinante se calienta para eliminar el agua restante y curar el aglutinante, formando una rejilla de fibra de vidrio no tejida. En un procedimiento de tendido en seco, las fibras se cortan y se someten a un soplado de aire en una cinta transportadora y luego se aplica un aglutinante para formar una rejilla. Los procedimientos de tendido en seco pueden ser particularmente adecuados para la producción de rejillas muy porosas que tienen haces de fibras de vidrio.

El aglutinante puede ser cualquier tipo de composición de aglutinante, tal como un aglutinante acrílico, un aglutinante de estireno acrilonitrilo, un aglutinante de caucho de estireno butadieno, un aglutinante de urea formaldehído, un aglutinante epoxi, un aglutinante de poliuretano, un aglutinante fenólico, un aglutinante de poliéster o mezclas de los mismos. Los aglutinantes acrílicos a modo de ejemplo pueden incluir, por ejemplo, ácido poliacrílico, acrilato de etilo, metacrilato, metacrilato de metilo, acrilato de estireno o mezclas de los mismos. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el aglutinante es un aglutinante acrílico termoestable formado por ácido poliacrílico y al menos un poliol, tal como, por ejemplo, trietanolamina o glicerina. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el aglutinante es un aglutinante resistente a los ácidos. El aglutinante puede contener opcionalmente uno o más aditivos para mejorar la procesabilidad y/o el rendimiento del producto. Ejemplos no limitantes de tales aditivos incluyen tintes, aceites, cargas, colorantes, estabilizadores UV, agentes de acoplamiento (por ejemplo, aminosilanos), lubricantes, agentes humectantes, tensioactivos, agentes antiestáticos y combinaciones de los mismos.

En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el aglutinante comprende de aproximadamente 1 a aproximadamente 30 por ciento en peso del peso seco total de la rejilla de fibra de vidrio. En otras realizaciones a modo de ejemplo, el aglutinante comprende de aproximadamente de 8 a aproximadamente 25 por ciento en peso del peso seco total de la rejilla de fibra de vidrio. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el aglutinante comprende aproximadamente de 18 a 25 por ciento en peso del peso seco total de la rejilla de fibra de vidrio.

Las rejillas de fibras de vidrio no tejidas son tratadas con uno o más compuestos activos capaces de reducir o eliminar la sulfatación de los electrodos en una batería de plomo-ácido. Los compuestos activos se incluyen como aditivos para la composición de apresto, aditivos para la composición de aglutinante o como aditivo tanto para la composición de apresto como la composición de aglutinante. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, los aditivos se pueden añadir a la superficie de la rejilla, después de que esta se haya formado.

Los compuestos activos incluyen ingredientes activos que influyen directamente en las reacciones que tienen lugar en la superficie de un electrodo. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, los compuestos activos incluyen uno o más de sulfosuccinato (di-octilo); alcohol polivinílico; sílice coloidal; poliacrilamida; ácido fosfónico; ácido poliacrílico, tal como policarboxilato y polielectolito aniónico; éster de fosfato; ácido policarboxílico, tal como acrílico, maleico, láctico, tartárico, etc.; compuestos aniónicos poliméricos, tales como ácido polivinilsulfónico y ácido poli(met)acrílico; hexametilen diaminotetrakis-(ácido metilenfosfónico); quitina; quitosano; inulina; ácido poliaspártico; polisuccinimida; iminodisuccinato; copolímero de ácido maleico/ácido acrílico; copolímero de ácido maleico/acrilamida; ácido húmico; sal de calcio de polímeros de ácido naftalennosulfónico condensado con formaldehído; sal de sodio de naftaleno sulfonado condensado; ácido perfluoroalquilsulfónico y celulosa. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, los ingredientes activos incluyen uno o más de sulfosuccinato (di-octilo) y un compuesto de alcohol polivinílico/sílice coloidal.

Los compuestos activos son capaces de reaccionar directamente con el sulfato de plomo que se forma durante la descarga de una batería de plomo-ácido. La sulfatación es principalmente un problema en las placas negativas, donde la sulfatación deteriora las propiedades del electrodo negativo. Al reaccionar con el sulfato de plomo, los compuestos activos mantienen al sulfato de plomo soluble en el electrolito de ácido sulfúrico, lo que al menos puede retrasar y, en algunos casos inhibir o reducir de otro modo, la formación de cristales de sulfato de plomo. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el uso de compuestos activos tal como se describe en el presente documento impide la formación de cristales de sulfato de plomo.

En algunas realizaciones a modo de ejemplo, los compuestos activos están presentes en la rejilla no tejida en una cantidad de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 25,0 por ciento en peso de dicha composición de aglutinante y/o de apresto que contiene los compuestos activos. En otras realizaciones a modo de ejemplo, dichos compuestos activos están presentes en una cantidad de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 20 por ciento en peso de dicha composición de aglutinante o de apresto que contiene los compuestos activos.

En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el propio aglutinante puede actuar como una composición antisulfatación. Por ejemplo, un aglutinante de ácido poliacrílico también puede reaccionar directamente con el sulfato de plomo para mantener su solubilidad en el electrolito. Por consiguiente, en algunas realizaciones a modo de ejemplo, el 100 % (o sustancialmente todo) del aglutinante comprenderá química de superficie activa.

Al incorporar los compuestos activos directamente en la composición de apresto y/o en la composición de aglutinante, los compuestos activos quedan directamente expuestos a la superficie de los electrodos donde se forman cristales de sulfato de plomo. Los compuestos activos tienen una solubilidad limitada en el electrolito ácido y se liberan lentamente durante el uso una vez que la rejilla no tejida está en el electrolito ácido y las placas se vuelven activas. La utilización de la rejilla de fibras no tejidas como una rejilla de empastado permite la liberación lenta de los compuestos activos de la rejilla de empastado que permite que los compuestos activos logren un contacto directo con la superficie de los electrodos. La solubilidad de los compuestos activos en el electrolito ácido puede verse afectada por la temperatura, ya que se alcanzan temperaturas bastante altas en el curado y la formación de la batería. Las altas temperaturas pueden iniciar la lixiviación desde la rejilla de empastado hasta la superficie del electrodo negativo.

Los compuestos activos son propensos a la oxidación, lo que es indeseable, puesto que la oxidación puede destruir su actividad antisulfatación y sus productos de oxidación pueden ser perjudiciales para la batería. La oxidación de los compuestos activos tiene lugar principalmente en la placa positiva porque el dióxido de plomo (PbO2) es un oxidante muy fuerte, especialmente en combinación con ácido sulfúrico. Al aplicar los compuestos activos a la placa negativa a través de la rejilla de empastado no tejida, la distancia a la placa positiva se maximiza y los compuestos activos presentan un menor riesgo de oxidación en la placa positiva en comparación con las aplicaciones que introducen sustancias químicas directamente en el electrolito.

En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el tratamiento de la superficie del electrodo con compuestos activos mediante la incorporación de uno o más compuestos activos en la composición de apresto y/o composición de aglutinante de una rejilla de empastado demuestra una mejora en el ciclo de vida de la batería de al menos 10 %, o al menos de aproximadamente un 25 % sobre las células de batería de plomo-ácido similares que no tienen rejilla de empastado o que incluyen una rejilla de empastado a base de celulosa.

El procedimiento de preparación de una batería de plomo-ácido comprende formar una o más células de batería, cada una de las cuales incluye un electrodo de placa positiva que tiene una primera cara y una segunda cara, opuesta a la primera cara, un electrodo de placa negativa que tiene una primera cara y una segunda cara, opuesta a la primera cara, y un separador dispuesto entre ellas. El electrodo positivo incluye una rejilla que contiene material de aleación de plomo. Un material activo positivo, como el dióxido de plomo, se recubre sobre la rejilla del electrodo positivo. El electrodo de placa negativa también incluye una rejilla de material de aleación de plomo que está recubierta con un material activo negativo, tal como el plomo. Los electrodos de placa positiva y negativa se sumergen en un electrolito que puede incluir ácido sulfúrico y agua. El separador puede colocarse entre los electrodos de placa positiva y negativa para separar físicamente los dos electrodos al tiempo que permite el transporte iónico.

La rejilla de empastado de fibras no tejidas divulgada en el presente documento puede colocarse para cubrir parcial o totalmente al menos una superficie del electrodo de placa negativa. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, las rejillas de empastado se colocan a cada lado del electrodo de placa negativa. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el uso de fibras de vidrio en la rejilla de empastado no tejida proporciona una estabilidad dimensional adicional a las placas negativas durante la carga y descarga. Durante la descarga, las placas negativas generalmente aumentan de volumen y luego se contraen significativamente durante un ciclo de carga, debido a los diferentes cristales formados. La estabilidad dimensional mejorada proporcionada por la rejilla de empastado de fibra de vidrio reduce esta expansión/contracción, lo que a su vez conduce a una mejor duración de la batería al evitar que la masa activa se desprenda de la rejilla y mantener un buen contacto entre el material activo y la rejilla para asegurar la aceptación de la carga y el flujo de corriente. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, se coloca una rejilla de empastado de fibra no tejida para cubrir parcial o totalmente al menos una superficie de la placa positiva, para que funcione como un retenedor al mantener el material activo en su lugar en la placa positiva mientras que también proporciona una estabilidad dimensional mejorada. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, las rejillas de empastado se colocan a cada lado del electrodo de placa positiva. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, las rejillas de empastado de fibras no tejidas se colocan a ambos lados de cada una de las placas positivas y negativas.

En otros ejemplos de realización, la rejilla de fibra no tejida funciona como una rejilla de retención y se coloca en contacto con al menos un lado del separador.

Los siguientes ejemplos pretenden ilustrar mejor la presente invención, pero no pretenden limitar los conceptos inventivos generales en modo alguno.

EJEMPLO

Ejemplo 1:

Se montó una variedad de células de batería de 2 voltios de velocidad de 20 horas y las placas negativas se unieron con rejillas de empastado de fibra de vidrio no tejida que tienen diferentes composiciones de aglutinante y/o fibra. Luego, las células se sometieron a pruebas de ciclo de estado de carga parcial y luego se sometieron a análisis de desmontaje. La presencia de sulfato de plomo cristalizado se determinó en la parte superior e inferior de la placa con análisis en húmedo y difracción de rayos X.

A) Procedimiento de prueba del estado de carga parcial (PSoC):

El procedimiento de prueba del ciclo de estado de carga parcial repite una descarga parcial y una carga hasta una cantidad de capacidad en torno a varios niveles del estado de carga media. Se omitió un paso de ecualización en el procedimiento de prueba PSoC para aumentar el tiempo de permanencia del estado parcial de carga y para aumentar la velocidad de prueba. Las células de la batería se sometieron a ciclación al 17,5 % de profundidad de descarga (DoD) a 27 °C con un punto inicial de ciclación al 50 % del estado de carga (SoC). Las condiciones de ciclación incluyeron preacondicionamiento por descarga durante 2,5 horas a 4 x 120A (4A), alcanzando el punto inicial de ciclación al 50 % de SoC. A continuación, las baterías se cargaron durante 40 minutos a Imáx = 7A (7 x I20A) y Umáx = 2,4 V/célula A continuación, las baterías se descargaron durante 30 minutos a 7A (7 x I20A). La carga y descarga consecutivas constituyeron un ciclo. El mayor número de ciclos indica una mayor duración de la batería. Después de alcanzar los criterios de apagado (Ucel á 1,666 V), la ciclación terminó y la célula se cargó y se sometió a un análisis de desmontaje detallado.

B) Análisis de desmontaje:

Para realizar el análisis de desmontaje, la placa negativa se dividió en tres secciones: superior, media e inferior. El material activo de la parte superior e inferior de la placa se seleccionó por separado en diferentes lugares y se trituró para homogeneizar la muestra.

Se usó la misma muestra homogeneizada de material activo de placa negativa superior e inferior para registrar un patrón de difracción de rayos X. El dispositivo utilizado para registrar el patrón de difracción de rayos X fue un Philips 2134, ADP-15.

El material activo en las secciones superior e inferior se analizó adicionalmente para determinar el contenido de PbSO4 y Pb de la recarga final. El porcentaje en peso de PbSO4 se considera sulfato de plomo irreversible, indicativo de sulfatación. Además, si la batería ha sufrido sulfatación, el PbSO4 se concentraría en el fondo de la placa.

Tabla 1: Sulfatación de baterías

Tal como se ilustra en la Tabla 1, las muestras comparativas 1 y 2, que incluían rejillas de empastado convencionales sin compuestos activos, demostraron una sulfatación significativa en el fondo de la placa negativa. Comparativamente, los Ejemplos 3 y 4, que incluían los compuestos activos, demostraron una sulfatación significativamente menor, de menos del 10 %, y también aumentaron el estado parcial del ciclo de carga a más de 500 ciclos, lo que es indicativo de una mayor vida útil de la batería.

Específicamente, la muestra 3 incluía una rejilla de empastado de 25 g/m2 que comprende una mezcla de fibras de vidrio cortadas de 6,5 pm - 6 mm y 11 pm - 13 mm. La rejilla se unió con un aglutinante de base acrílica autorreticulable. La rejilla presentaba un contenido de aglutinante de aproximadamente el 20 %. Se añadió un tensioactivo de di-octilsulfosuccinato al aglutinante en aproximadamente un 0,2 por ciento en peso basado en los sólidos del aglutinante secos. El ejemplo 4 incluía una rejilla de empastado de 45 g/m2 que comprende un tejido base formado por una mezcla 50/50 de fibras de vidrio de 6,5 pm - 6 mm y fibras de vidrio de 11 pm - 6 mm e incluía aproximadamente un 16 por ciento en peso de un aglutinante de alcohol polivinílico. La lámina de base fue tratada con una mezcla de acrilato autoreticulable y sílice coloidal. La rejilla final incluía aproximadamente 3 g/m2 de alcohol polivinílico y 22 g/m2 de sílice coloidal.

Ejemplo 2

Se preparó una variedad de rejillas de empastado de fibras no tejidas para que tuvieran diversos tipos, pesos y espesores de fibras. La Tabla 2 a continuación ilustra las propiedades de las rejillas.

T l 2: Pr i l r ill fi r

continuación

Tal como se ilustra en la Tabla 2, la resistencia eléctrica para las rejillas de fibra no tejida fue más baja para las rejillas de fibra de vidrio preparadas de acuerdo con la presente invención. La resistencia eléctrica, cuando se normaliza sobre 0,1 mm de espesor de la rejilla, es más baja para las rejillas de fibras de vidrio no tejidas preparadas de acuerdo con la presente invención. Cada uno de los ejemplos 1-22 demuestra una resistencia eléctrica, normalizada sobre 0,1 mm de espesor de la rejilla, inferior a 15 mQ/cm2. En algunos ejemplos de realización, las fibras de vidrio pueden tener una resistencia eléctrica de menos de 10 mQ/cm2. Las resistencias eléctricas normalizadas de los ejemplos ilustrados en la Tabla 2 se comparan adicionalmente en la Figura 1, que muestra que cada una de las rejillas de fibra de vidrio no tejidas formadas de acuerdo con la presente invención (ejemplos 1 a 22) demuestra una resistencia eléctrica normalizada sobre 0,1 mm de espesor de la rejilla que es mucho menor que 15 mQ/cm2.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Rejilla de empastado de fibras no tejidas que comprende:

una pluralidad de fibras revestidas con una composición de apresto, en donde la composición de apresto se recubre sobre la pluralidad de fibras mediante un procedimiento que incluye la aplicación sobre la pluralidad de fibras de una suspensión o emulsión de base acuosa que comprende uno o más de un agente formador de película, un agente de acoplamiento, un lubricante y un tensioactivo;

una composición de aglutinante aplicada sobre las fibras revestidas; y

uno o más compuestos activos capaces de reducir la sulfatación en una batería de plomo-ácido, estando incluidos dichos compuestos activos en al menos una de dicha composición de apresto y dicha composición de aglutinante y comprendiendo uno o más de sulfosuccinato (di-octilo); alcohol polivinílico; sílice coloidal; poliacrilamida; ácido fosfónico; ácido poliacrílico; éster de fosfato; ácido policarboxílico; compuestos aniónicos poliméricos; hexametilen diaminotetrakis-(ácido metilenfosfónico); quitina; quitosano; inulina; ácido poliaspártico; polisuccinimida; iminodisuccinato; copolímero de ácido maleico/ácido acrílico; copolímero de ácido maleico/acrilamida; ácido húmico; sal de calcio de polímeros de ácido naftalenosulfónico condensado con formaldehído; sal de sodio de naftaleno sulfonado condensado; ácido perfluoroalquilsulfónico y celulosa.

2. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1, en la que dicha composición de aglutinante se selecciona del grupo que consiste en un aglutinante acrílico, un aglutinante de estireno acrilonitrilo, un aglutinante de caucho de estireno butadieno, un aglutinante epoxi, un aglutinante de poliuretano, un aglutinante fenólico, un aglutinante de poliéster y mezclas de los mismos.

3. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1, en la que dicha composición de aglutinante es un aglutinante resistente al ácido.

4. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1, en la que dichas fibras comprenden una o más de fibras de vidrio, fibras de poliéster, fibras de poliolefina, fibras de nailon, fibras de aramida, fibras de poli(sulfuro de fenileno), fibras de carbono, fibras de carburo de silicio (SiC), fibras de nitruro de boro.

5. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1, en la que dichas fibras comprenden fibras de vidrio.

6. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1, en la que dichas fibras tienen un diámetro medio de 0,2 micrómetros a 30 micrómetros.

7. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 5, en la que dichas fibras tienen un diámetro medio de 1 micrómetro a 25 micrómetros.

8. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1, en la que dichas fibras son fibras cortadas que tienen una longitud media de 3 mm a 60 mm.

9. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1, en la que dichos compuestos activos comprenden uno o más de sulfosuccinato (di-octilo) y de compuesto de alcohol polivinílico/sílice coloidal.

10. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1, en la que dicha rejilla de empastado de fibras no tejidas puede funcionar para aumentar el ciclo de vida de una batería de plomo-ácido en al menos un 10 % en comparación con una batería por lo demás comparable sin dicha rejilla de empastado.

11. Rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1, en la que dicha rejilla de empastado de fibras no tejidas tiene una resistencia eléctrica de menos de 15 mQ/cm2 por 0,1 mm de espesor de la rejilla.

12. Rejilla de empastado de fibras según la reivindicación 1, en la que dicha rejilla de empastado de fibras tiene una resistencia eléctrica de menos de 10 mQ/cm2 por 0,1 mm de espesor de la rejilla.

13. Batería de plomo-ácido que comprende:

un electrodo positivo que tiene una primera cara y una segunda cara opuesta a dicha primera cara y un electrodo negativo que tiene una primera cara y una segunda cara opuesta a dicha primera cara, en la que cada uno de dichos electrodos positivo y negativo está sumergido dentro de un electrolito;

una rejilla de empastado de fibras no tejidas según la reivindicación 1 que cubre al menos parcialmente una superficie de al menos una de dichas primera y segunda caras de al menos uno de dichos electrodos positivo y negativo, comprendiendo dicha rejilla de empastado de fibras no tejidas:

una composición de aglutinante aplicada sobre las fibras revestidas; y

uno o más compuestos activos capaces de reducir la formación de sulfato de plomo sobre dicho electrodo negativo, estando incluidos dichos compuestos activos en al menos una de dicha composición de apresto y dicha composición de aglutinante y comprendiendo uno o más de sulfosuccinato (di-octilo); alcohol polivinílico; sílice coloidal; poliacrilamida; ácido fosfónico; ácido poliacrílico; éster de fosfato; ácido policarboxílico; compuestos aniónicos poliméricos; hexametilen diaminotetrakis-(ácido metilenfosfónico); quitina; quitosano; inulina; ácido poliaspártico; polisuccinimida; iminodisuccinato; copolímero de ácido maleico/ácido acrílico; copolímero de ácido maleico/acrilamida; ácido húmico; sal de calcio de polímeros de ácido naftalenosulfónico condensado con formaldehído; sal de sodio de naftaleno sulfonado condensado; ácido perfluoroalquilsulfónico y celulosa.

14. Batería de plomo-ácido según la reivindicación 13, en la que dichas fibras comprenden una o más fibras de vidrio, fibras de poliéster, fibras de poliolefina, fibras de nailon, fibras de aramida, fibras de poli(sulfuro de fenileno), fibras de carbono, fibras de carburo de silicio (SiC), fibras de nitruro de boro.

15. Batería de plomo-ácido según la reivindicación 13, en la que dichas fibras tienen un diámetro medio de 0,2 micrómetros a 30 micrómetros.

16. Batería de plomo-ácido según la reivindicación 15, en la que dichas fibras tienen un diámetro medio de 1 micrómetro a 25 micrómetros.

17. Batería de plomo-ácido según la reivindicación 13, en la que dichas fibras son fibras cortadas que tienen una longitud media de entre 3 mm y 60 mm.

18. Batería de plomo-ácido según la reivindicación 13, en la que dichos compuestos activos comprenden uno o más de sulfosuccinato (di-octilo) y compuesto de alcohol polivinílico sílice coloidal.

19. Batería de plomo-ácido según la reivindicación 13, en la que dicha rejilla de empastado de fibras no tejidas tiene una resistencia eléctrica de menos de 15 mQ/cm2 por 0,1 mm de espesor de la rejilla.

20. Batería de plomo-ácido según la reivindicación 13, en la que una rejilla de empastado de fibras cubre al menos parcialmente cada una de dichas primera y segunda caras de dicho electrodo positivo.

21. Batería de plomo-ácido según la reivindicación 13, en la que una rejilla de empastado de fibras cubre al menos parcialmente cada una de dichas primera y segunda caras de dicho electrodo negativo.

22. Procedimiento para formar una rejilla de fibras no tejidas para su uso en una batería de plomo-ácido, comprendiendo dicho procedimiento:

dispersar una pluralidad de fibras en una suspensión acuosa, estando dichas fibras revestidas con una composición de apresto, en donde la composición de apresto se recubre sobre la pluralidad de fibras mediante un procedimiento que incluye la aplicación sobre la pluralidad de fibras de una suspensión o emulsión de base acuosa que comprende una o más de un agente formador de película, un agente de acoplamiento, un lubricante y un tensioactivo;

depositar dicha suspensión sobre un tamiz en movimiento;

aplicar un aglutinante sobre la suspensión depositada; y

calentar dicha suspensión revestida de aglutinante, curando así dicha suspensión revestida con aglutinante y formando una rejilla de fibras no tejidas, en donde dicha rejilla de fibras incluye uno o más compuestos activos incluidos en al menos una de dicha composición de apresto y dicha composición de aglutinante, comprendiendo dichos compuestos activos uno o más de sulfosuccinato (di-octilo); alcohol polivinílico; sílice coloidal; poliacrilamida; ácido fosfónico; ácido poliacrílico; éster de fosfato; ácido policarboxílico; compuestos aniónicos poliméricos; hexametilen diaminotetrakis-(ácido metilenfosfónico); quitina; quitosano; inulina; ácido poliaspártico; polisuccinimida; iminodisuccinato; copolímero de ácido maleico/ácido acrílico; copolímero de ácido maleico/acrilamida; ácido húmico; sal de calcio de polímeros de ácido naftalennosulfónico condensado con formaldehído; sal de sodio de naftaleno sulfonado condensado; ácido perfluoroalquilsulfónico y celulosa.