Dispositivos y procedimientos para baterías de plomo-ácido.

Un procedimiento para reducir la migración de un electrolito en una batería de plomo-ácido dipolar,

comprendiendo el procedimiento las etapas de:

colocar entre un material activo positivo de un primer electrodo dipolar y un material activo negativo de un segundo electrodo dipolar un separador resistente a la compresión que comprende el electrolito en una forma gelificada; y

alinear los primer y segundo electrodos dipolares y el separador para formar una célula de la batería, y aplicar de presión mecánica de al menos 10kPa al primer y segundo electrodos dipolares.

Dispositivos y procedimientos para baterías de plomo-ácido La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud provisional co-pendiente de Estados Unidos, del solicitante y en tramitación, con número de serie 61/088911, presentada el 14 de agosto de 2008.

Campo de la invención El campo de la invención son los dispositivos de almacenamiento de energía y, más particularmente, las baterías de plomo-ácido dipolares (BLAB) y las baterías de plomo-ácido dipolares reguladas por válvulas (VR-BLAB) .

Antecedentes de la invención El concepto general de las baterías de plomo-ácido dipolares es bien conocido desde hace varias décadas, y las primeras baterías operables fabricadas con láminas de plomo individuales fueron anunciadas por Peter Kapitsa en la década de 1930. A pesar de su aparente simplicidad, las baterías de películas finas dipolares proporcionan numerosas ventajas significativas. Por ejemplo, dado que la longitud de la trayectoria interna es relativamente corta y, dado que el área del electrodo es relativamente grande, la resistencia interna es normalmente muy baja, lo que da como resultado ciclos de carga y descarga rápidos en la generación de calor mínima. Son estas y otras ventajas que hacen que las baterías de plomo-ácido dipolares sean atractivas para los soportes híbridos y los sistemas de frenado regenerativo en automóviles y locomotoras. Por otra parte, debido a su configuración dipolar, el peso se reduce y la producción se simplifica.

Sin embargo, diversos inconvenientes han impedido hasta ahora el uso generalizado de las baterías de plomo-ácido dipolares. Entre otras cosas, el plomo es un material de construcción bastante pobre, ya que se arrastra bajo carga (es decir, una lámina de plomo se hundirá bajo su propio peso a menos que se fije a un soporte más fuerte, tal como el acero) , y a menudo se necesita material adicional para soportar el plomo, lo que da como resultado un aumento del peso. Aún más, el arrastre del plomo típicamente conduce a grietas en la superficie y a la formación de fisuras, que en la mayoría de los casos acelerará la corrosión (corrosión por esfuerzos de tensión) .

Para reducir el peso total de un electrodo dipolar, se puede utilizar un material soporte no conductor al que el material de electrodo activo se puede aplicar como se describe, por ejemplo, en el documento EP 0 607 620 donde una estructura de panal de plástico se llena con plomo, o en el documento EP 0 848 442 donde dos bandas opuestas y conectadas eléctricamente se han dispuesto a cada lado de una placa de plástico no conductora. Del mismo modo, tal como se enseña en la Patente de Estados Unidos Nº 5.126.218, tapones eléctricamente conductores que comprenden materiales de dióxido de titanio sub-estequiométrico se han utilizado para proporcionar un ligero soporte no conductor con caminos conductores que conectan ambos lados del soporte, mientras que la Patente de Estados Unidos Nº 3.819.412 enseña el uso de abrazaderas de plomo para la misma finalidad. Como alternativa, se ha descrito la incorporación directa de los materiales conductores en una placa polimérica de otro modo no conductora para así formar un electrodo dipolar como se describe en el documento GB 2 371 402. Si bien tales configuraciones de electrodos aumentan ventajosamente la relación capacidad potencial/peso, diversos inconvenientes, no obstante, permanecen.

Por ejemplo, la corrosión anódica del plomo es un modo de fallo común en las baterías de plomo-ácido convencionales y bien conocido por el experto ordinario en la materia. El examen revela, a menudo, fracturas de las rejillas de soporte a lo largo de las grietas de corrosión bajo tensión. Cuando la rejilla de plomo se fractura, el material activo se desaloja típicamente de la rejilla y se acumula en el espacio de lodo en la parte inferior de las células, formando eventualmente un puente que causa cortocircuitos en las células. Para superar tales problemas, grandes electrodos de plomo industriales (por ejemplo, como los utilizados en electrosíntesis comercial) a menudo utilizan placas de acero insertadas y soldadas a las láminas de plomo para eliminar el arrastre. Tales electrodos aumentan ventajosamente la vida útil del dispositivo electroquímico en ácido sulfúrico fuerte y, a menudo, retrasan o incluso evitan la corrosión bajo tensión. Sin embargo, tales configuraciones son típicamente indeseables para las baterías de plomo-ácido dipolares debido al peso sustancial y requisitos dimensionales.

Por otra parte, uno de los principales factores que contribuyen al fallo de las baterías de plomo ácido con electrodos dipolares es la migración del electrolito a través de una junta alrededor de los bordes del electrodo dipolar (dipolo) , que se acciona normalmente por el efecto Marangoni. Este problema de cierre hermético es especialmente persistente en el lado positivo del dipolo que ha resultado ser prácticamente imposible de cerrarse herméticamente de una manera fiable y permanente. En tal caso de fallo, el electrolito crea un puente conductor entre los aspectos positivos y negativos del dipolo, y numerosos intentos se han realizado para cerrar más herméticamente el dipolo. Sin embargo, debido a muchos factores, y especialmente a la expansión térmica, el efecto Marangoni, y el entorno relativamente agresivo en las baterías de plomo-ácido, tales intentos no han alcanzado resultados satisfactorios. Aún más, el material del electrodo positivo tiende a derramarse a lo largo del tiempo y a acumularse en el espacio por debajo del electrodo, conduciendo en última instancia a cortocircuitos y al mal funcionamiento de la batería.

Por lo tanto, existe todavía la necesidad no satisfecha de proporcionar mejores configuraciones de baterías y procedimientos para mejorar el tiempo de vida útil y las características cíclicas en las baterías de plomo ácido, y en

baterías de plomo-ácido especialmente dipolares.

Sumario de la invención La presente invención se refiere a diversas configuraciones de BLAB y a procedimientos que superan numerosas desventajas de las BLAB conocidas hasta ahora. Más específicamente, las BLAB presentadas en el presente documento comprenden un separador resistente a la compresión que retiene el electrolito en una forma gelificada, que no solo permite la compresión sustancial de la pila de células (eliminando de este modo el derramamiento de materiales activos positivos) , sino que también permite la operación de la BLAB sin problemas asociados con la migración de electrolito (incluso cuando el dipolo no tiene en ninguna junta para protegerse contra la migración de disolvente) . Además, dado que los electrodos en las BLAB preferidas se configuran como electrodos cuasi-dipolares, los problemas asociados de otro modo con defectos de porosidad en el electrodo se evitan y la relación potenciapeso se incrementa sustancialmente.

En un aspecto ejemplar de la materia objeto de la invención, una batería de plomo-ácido dipolar incluye un primer y un segundo electrodos dipolares que están separados por un separador resistente a la compresión que incluye, además, un electrolito en una forma gelificada. Más preferentemente, el separador comprende sílice pirogénica y un material de relleno inerte, y/o el electrolito se gelifica en un grado suficiente para permitir el funcionamiento de la batería sin cerrar herméticamente una célula formada por los electrodos dipolares. En aspectos preferidos adicionales, la célula comprende un espacio vacío entre los electrodos dipolares y un material térmicamente conductor se dispone en al menos parte del espacio vacío para ayudar a disipar el calor desde el interior de la pila de electrodos. Por otra parte, se prefiere generalmente que una válvula de una vía (por ejemplo, válvula de pico de pato) se acople a la célula para permitir de ese modo la ventilación de un gas desde la célula.

Adicionalmente, se prefiere que al menos uno de los electrodos en las baterías dipolares contempladas sea un electrodo cuasi-dipolar. Por ejemplo, los electrodos cuasi-dipolares adecuados comprenden un soporte no conductor con aberturas formadas en el soporte, en el que un material conductor se dispone en al menos algunas de las aberturas, y en el que las láminas de plomo finas se laminan en ambas superficies del electrodo.

Por lo tanto, en otro aspecto ejemplar de la materia objeto de la invención, una batería de plomo-ácido dipolar incluye un electrodo cuasi-dipolar que tiene un soporte no conductor con una pluralidad de aberturas formadas entre una primera y una segunda superficies del soporte. Un material conductor se dispone en la pluralidad de aberturas, y una primera y una segunda láminas de plomo se acoplan a las primera y segunda superficies,... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para reducir la migración de un electrolito en una batería de plomo-ácido dipolar, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

colocar entre un material activo positivo de un primer electrodo dipolar y un material activo negativo de un segundo electrodo dipolar un separador resistente a la compresión que comprende el electrolito en una forma gelificada; y alinear los primer y segundo electrodos dipolares y el separador para formar una célula de la batería, y aplicar de presión mecánica de al menos 10kPa al primer y segundo electrodos dipolares.

2. El procedimiento de la reivindicación 1 en el que el electrodo dipolar está configurado como un electrodo cuasidipolar.

3. El procedimiento de la reivindicación 2 en el que el electrodo dipolar comprende un soporte que tiene una primera y una segunda superficies, y una primera y una segunda láminas de plomo acopladas a las primera y segunda superficies, respectivamente.

4. El procedimiento de la reivindicación 1 en el que el separador resistente a la compresión comprende un material microporoso sintético lleno con sílice pirogénica.

5. El procedimiento de la reivindicación 4 en el que el material activo negativo comprende además una estructura separadora resistente a la compresión.

6. El procedimiento de la reivindicación 5 en el que la presión está comprendida entre 20kPa y 150kPa.

7. El procedimiento de la reivindicación 1 en el que la célula comprende un espacio vacío entre los primer y segundo electrodos dipolares y que llena un material térmicamente conductor en una sección del espacio vacío.

8. El procedimiento de la reivindicación 7 que comprende además una etapa de acoplamiento de una válvula de una vía a la célula para permitir de ese modo la ventilación de un gas desde la célula.

9. Una batería de plomo-ácido dipolar que comprende un primer electrodo dipolar y un segundo electrodo dipolar que están separados por un separador resistente a la compresión que es resistente a una presión mecánica de al menos 10kPa y que incluye un electrolito en una forma gelificada, en la que el separador resistente a la compresión comprende un material microporoso sintético lleno de sílice pirogénica, y en la que el electrolito está inmovilizado por un enlace de hidrógeno o las fuerzas de Van-der-Waals del gel y/o por poros en el separador, y en la que la batería es continuamente operable sin ningún cierre hermético de las células en la batería.

10. La batería dipolar de la reivindicación 9 en la que el separador resistente a la compresión comprende un material de relleno inerte.

11. La batería dipolar de la reivindicación 9 en la que un material activo negativo del primer electrodo y un material activo positivo del segundo electrodo y el separador resistente a la compresión forman una célula, y en la que el electrolito está gelificado en un grado suficiente para permitir el funcionamiento de la de la batería sin el cierre hermético de la célula.

12. La batería dipolar de la reivindicación 11 en la que la célula comprende un espacio vacío entre los primer y segundo electrodos dipolares y en la que un material térmicamente conductor se dispone en al menos una sección del espacio vacío.

13. La batería dipolar de la reivindicación 12 que comprende además una válvula de una vía acoplada a la célula para permitir de ese modo la ventilación de un gas desde la célula.

14. La batería dipolar de la reivindicación 9 en la que al menos uno de los electrodos es un electrodo cuasi-dipolar.

15. La batería dipolar de la reivindicación 14 en la que el electrodo cuasi-dipolar comprende un soporte no conductor que tiene una pluralidad de aberturas formadas entre una primera y una segunda superficies del soporte, y un material conductor dispuesto en la pluralidad de aberturas, y en la que el electrodo cuasi-dipolar comprende además una primera y una segunda láminas de plomo acopladas a las primera y segunda superficies, respectivamente.