Una batería de plomo-ácido regulada por válvula que incluye separadores que comprenden microfibras de vidrio,

microfibras plásticas o una mezcla de ambas, caracterizada porque los separadores consisten en las citadas microfibras de vidrio, microfibras plásticas o una mezcla de ambas y un agente de relleno que consiste en 2 a 8% (peso/peso) de sílice que tiene una superficie específica mayor que 700 m2/g

Batería de plomo-ácido con separador de microfibra que tiene características de absorción mejoradas.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a una batería de almacenamiento eléctrico del tipo de plomo-ácido regulada por válvula, que comprende separadores de microfibra que tienen características de absorción mejoradas.

Antecedentes de la invención

Las células electroquímicas, tales como las baterías de plomo-ácido, se conocen desde el final del siglo pasado. En su configuración actual comprenden un ánodo de dióxido de plomo, un cátodo de plomo blando y un separador elaborado con celulosa o material plástico, cuyo material tiene la misión de separar físicamente las placas, suministrando también un conducto a través del electrolito para los iones conductores de la corriente eléctrica.

Las nuevas aplicaciones requeridas actualmente para las baterías han hecho necesario que los desarrollos tecnológicos alcanzados en esta década y en las anteriores se centren principalmente en la obtención de baterías con requisitos de mantenimiento mínimos o sin mantenimiento, mínimas emisiones de gases, que permitan su instalación en entornos "limpios" y con un período de vida útil óptimo, para ser adecuadas para aplicaciones que requieren un número elevado de ciclos de carga-descarga, tales como en aplicaciones de vehículos eléctricos y de tracción.

Estos avances han sido obtenidos trabajando fundamentalmente en las características del separador empleado, lo que ha permitido poner en operación el denominado "ciclo de oxígeno" en la batería de plomo-ácido, llevando a la recombinación o baterías reguladas por válvula (denominadas generalmente VRLA por sus iniciales en inglés).

Las características y el principio de operación de estas baterías se describen en las patentes estadounidenses 3.862.861 y 4.383.011, las patentes británicas GB2062945 y GB2060987 y las patentes españolas 526.291 y 524.556, que describen las modificaciones introducidas en lo que respecta a las placas, contenedores y cubiertas, así como fundamentalmente a nivel del separador. Con respecto a este componente, sus propiedades y composición se describen en la patente estadounidense 5.091.275 y en la solicitud de patente europea 0.466.302 A1.

Los separadores para baterías que usan el "ciclo de oxígeno" se elaboran esencialmente con un lecho de fibras no tejidas formado por una mezcla física de dichas fibras dispuestas aleatoriamente. Con el fin de proporcionar un separador con las propiedades necesarias para su aplicación en la batería, la fibra base debe tener características de tamaño muy precisas. Principalmente, su longitud debe ser de aproximadamente 10 µm y su diámetro estar en el intervalo de 0,1-1 µm. Estas propiedades básicas de la microfibra permiten obtener un separador con las siguientes características: una porosidad de aproximadamente 90-95% con un diámetro de poro de aproximadamente 5-25 µm, una superficie específica en el intervalo de 0,8-2,0 m²/g y una resistencia a la tracción de aproximadamente 600 N*m y una resistividad eléctrica de aproximadamente 0,025 O*cm².

Las características del separador obtenido se pueden modificar hasta cierto punto mediante una modificación de las características de la fibra base. Las modificaciones de la fibra base mencionadas anteriormente se refieren a sus características dimensionales. En este sentido, el uso de microfibras más pequeñas lleva a materiales del separador con una superficie específica mayor, una capacidad de retención de ácido mayor y un tamaño de poro menor. El uso de microfibras mayores modificaría estas propiedades en la dirección opuesta, teniendo en cuenta sin embargo que las propie- dades del separador no se pueden modificar indefinidamente sino solo dentro de márgenes relativamente estrechos.

Sin embargo, las características del separador de microfibras de vidrio se pueden modificar de forma importante mediante la adición de agentes de relleno inorgánicos de diferentes variedades y concentraciones. Estos agentes de relleno inorgánicos se depositan dentro de la estructura del separador y modifican de forma importante sus características, especialmente aquellas relacionadas con la porosidad y la distribución de tamaños de poro.

Entre los agentes de relleno inorgánicos, el usado más frecuentemente es la sílice en diferentes variedades y concentraciones. Hay un gran número de documentos de patentes relacionados con el uso de sílice bien sola o bien mezclada con sales inorgánicas, aglomerantes y similares en separadores de baterías.

Varios documentos de patentes se refieren a la adición de un agente de relleno inorgánico, especialmente sílice, al separador de la batería para modificar sus características, pero en la mayoría de los casos los documentos se refieren al uso de una mezcla que incluye la sílice misma con sales orgánicas, generalmente sales de magnesio, además de un aglomerante tal como, por ejemplo, en las patentes estadounidenses 5.091.275, 5.605.569, la publicación internacional WO 91/16.733 y la patente europea EP 0.466.302. En otros casos, el material base del separador no es una microfibra de vidrio sino que es de una naturaleza diferente, generalmente polimérica, y por lo tanto el efecto de la sílice es diferente, como en la patente estadounidense 4.681.750 y en la británica UK 2.169.129A. Todavía en otros casos, la concentración de la sílice añadida es muy diferente del intervalo reivindicado en la presente memoria descriptiva, típicamente mucho mayor, muy por encima del 10%. En lo que se refiere a las características de la sílice, la mayoría de los documentos de la técnica anterior describen el uso de sílices con una superficie específica inferior a 250 m²/g, aunque en algunos casos se describen sílices con una superficie específica mayor.

En particular, el documento US 5.009.971, expedido a favor de Johnson et al., describe separadores de baterías de plomo-ácido reguladas por válvula que comprenden sílice que tiene una superficie específica de 30 a 700 m²/g. Sin embargo, dichos separadores consisten casi exclusivamente en sílice, ya que la sílice está presente en concentraciones extremadamente elevadas de 93 a 99,5%.

El documento US 5.336.573, expedido a favor de Zuckerbrod, describe separadores de batería que comprenden como agente de relleno, entre otros, sílice precipitada. Sin embargo, el material base para el separador es una poliolefina y la cantidad de agente de relleno varía de 20 a 75% en peso.

El documento US 6.124.059, expedido a favor de Bohnstedt, describe separadores para baterías de ácido-plomo que comprenden sílice pirogénica como agente de relleno y sílice precipitada como un agente de relleno adicional. Dicha sílice precipitada tiene un área superficial BET de 60 a 700 m²/g, y el material base es de nuevo un polímero termoplástico. El contenido de agente de relleno es más de 60% hasta un máximo de 80% en volumen con respecto al material separador sólido.

Por último, el documento EP 0.680.105 describe baterías que incluyen separadores que comprenden solo sílice, sin ningún otro componente, en cantidades de 1 a 20%, teniendo dicho separador un tamaño de poro reducido de entre 5 y 10 micrones. Sin embargo, la sílice usada en este documento tiene una superficie específica de solo 200-300 m²/g que es insuficiente para favorecer los cambios deseados en las características de absorción del separador y en la batería que incluye dicho separador.

El uso de sílice hace generalmente necesario el uso de una gran cantidad de ella con el fin de obtener las características requeridas para el separador. Sin embargo, la adición de una concentración elevada de sílice al separador de la batería produce una serie de efectos perjudiciales para el separador y para la batería que lo incorpora. Dichos efectos perjudiciales se pueden resumir como sigue:

1. Una batería de plomo-ácido regulada por válvula que incluye separadores que comprenden microfibras de vidrio, microfibras plásticas o una mezcla de ambas, caracterizada porque los separadores consisten en las citadas microfibras de vidrio, microfibras plásticas o una mezcla de ambas y un agente de relleno que consiste en 2 a 8% (peso/peso) de sílice que tiene una superficie específica mayor que 700 m²/g.

2. Una batería de plomo-ácido regulada por válvula según la reivindicación 1, en la que la sílice es sílice precipitada.

3. Una batería de plomo-ácido regulada por válvula según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el contenido de microfibras plásticas en los separadores está entre 0% y 35%.

4. Una batería de plomo-ácido regulada por válvula según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que las microfibras plásticas son microfibras de poliéster.

5. Una batería de plomo-ácido regulada por válvula según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que las rejillas tanto de las placas positivas como de las negativas comprenden una aleación de plomo-calcio.

6. Una batería de plomo-ácido regulada por válvula según las reivindicaciones 1-4, en la que las rejillas de las placas positivas comprenden una aleación de plomo-bajo antimonio y las rejillas de las placas negativas comprenden una aleación de plomo-calcio.

7. Una batería de plomo-ácido regulada por válvula según las reivindicaciones 1-4, en la que las rejillas tanto de las placas positivas como de las negativas comprenden una aleación de plomo-estaño.

8. Un procedimiento para la elaboración de una batería de plomo-ácido regulada por válvula según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el separador, previamente a su ensamblaje con las placas positivas y negativas, se carga con un agente de relleno que consiste en 2 a 8% (peso/peso) de sílice que tiene una superficie específica mayor que 700 m²/g.

9. Un procedimiento para la elaboración de una batería de plomo-ácido regulada por válvula según la reivindicación 8, en la que la carga del agente de relleno en el separador se realiza añadiendo el citado agente de relleno en el tanque de dispersión de la fibra con agitación fuerte durante el procedimiento de elaboración del separador.

10. El uso de una batería de plomo-ácido regulada por válvula según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para aplicaciones de vida útil elevada, tales como aplicaciones robustas.