Separador de batería para su utilización entre los electrodos de una batería recombinante de tipo plomo-ácido,

comprendiendo dicho separador una estera no comprimida de fibras de polímero poliolefínico termoplástico fundidas por soplado unidas térmicamente que presentan un diámetro medio de poro en el intervalo comprendido entre 8 y 12 micrómetros, presentando por lo menos el diez por ciento de dichas fibras unos diámetros inferiores a un micrómetro y presentando por lo menos el sesenta por ciento de dichas fibras diámetros inferiores a cinco micrómetros, presentando dichas fibras un área de superficie mayor que 1 m2/g, presentando dicha estera una porosidad frente a los líquidos de por lo menos el 90 por ciento y presentando un volumen de cavidad del cinco al quince por ciento tras la carga con ácido líquido para permitir la transmisión de gas, tratándose dichas fibras con un agente seleccionado de entre el grupo constituido por polivinilpirrolidona y poliacrilamida para hacer que sean humectables en ácido, adaptándose dicho separador para absorber completamente dicho ácido líquido, en el que dicha estera no comprimida hace referencia a no modificar dicha estera mediante un procedimiento tal como calentamiento a compresión

Separador de batería recombinante.

Referencia cruzada

Esto es una continuación en parte de la solicitud con nº de serie 08/783.219, presentada el 14 de enero de 1997.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a separadores porosos que se disponen entre las placas de electrodos de una batería.

Las baterías de acumulación incluyen una pluralidad de placas de electrodos que se disponen para proporcionar electrodos positivos y negativos alternos. Los separadores se fabrican a partir de un material poroso aislante y contienen el electrolito de batería, tal como ácido, y permiten el paso de corriente iónica entre las placas.

Los separadores de batería deben presentar en general ciertas propiedades. El medio separador debe ser resistente a la degradación y a la inestabilidad en el entorno de la batería, tal como la degradación por disoluciones de ácidos fuertes a temperatura ambiente y temperaturas elevadas y ataques oxidativos fuertes. El separador también debe poder permitir un alto grado de movimiento iónico o debe presentar una resistencia eléctrica baja. El separador también debe poder inhibir la formación de trayectorias conductoras entre placas y el consiguiente cortocircuito. Este último problema puede surgir durante el funcionamiento de la batería cuando partes del electrodo de la batería se dispersan en el electrolito y precipitan o se depositan en el separador.

Durante muchos años se han utilizado en general baterías de plomo-ácido con células inundadas. En dichas baterías, los separadores empleados normalmente presentan un espesor fijo. Estos tipos de separadores no son altamente porosos y no absorben cantidades significativas de ácido. Sirven principalmente para impedir la migración de partículas y normalmente presentan nervaduras para espaciar o separar físicamente los electrodos en la célula.

Una célula electroquímica desarrollada recientemente se denomina comúnmente diseño recombinante regulado por válvula o sellado. En ciertos tipos de baterías recombinantes, el depósito de electrolito se contiene o se absorbe completamente por el medio separador, y el separador está en contacto completo con los electrodos adyacentes y llena todo el espacio entre los electrodos.

Los separadores de batería del tipo recombinante deben presentar un grado de volumen de cavidad en vacío para permitir el transporte del gas oxígeno generado en el electrodo positivo, durante la carga o la sobrecarga, al electrodo negativo en el que se reduce tal gas. En baterías de plomo-ácido, el oxígeno generado debe pasar desde el electrodo positivo a través del separador hasta la superficie del electrodo negativo, que se humedece con ácido sulfúrico. A continuación, el oxígeno se combina con el plomo para formar óxido de plomo, que a su vez se convierte en sulfato de plomo y agua libre.

Para lograr las propiedades anteriores, es conocido emplear una estera o fieltro de microfibras de vidrio de borosilicato como medio separador. Estos separadores comprenden en general una mezcla de fibras de vidrio de longitud y diámetro variables. La patente GB nº 1. 364. 283 describe un medio separador preparado a partir de fibras de vidrio finas. La estera de fibras presenta un tamaño de poro pequeño y proporciona una retentividad de electrolito de gran volumen que varía por unidad de volumen de separador. La capilaridad de la estera retiene el electrolito de manera estable dentro del separador. La estera está diseñada para saturarse con electrolito líquido hasta aproximadamente el 85 y el 95 por ciento del volumen de cavidad disponible, estando disponible el volumen de cavidad restante para permitir la transferencia de gas.

Los separadores que contienen fibras de vidrio submicrométricas adolecen de varios inconvenientes que no se han resuelto adecuadamente. Se han indicado problemas de salud en relación con las fibras extremadamente finas de esta naturaleza. Las esteras de fibras de vidrio son difíciles de procesar en equipos de producción de alta velocidad debido a las malas propiedades mecánicas, y tienden a liberar partículas en suspensión en el aire.

Se realizaron varias propuestas tempranas para utilizar fibras fundidas por soplado para fabricar separadores de batería para baterías de ácido convencionales con células inundadas. Las patentes US nº 3.847.676, nº 3.972.759 y nº 4.165.352 dan a conocer la formación de separadores de batería a partir de fibras finas fundidas por soplado. Las fibras se hacen humectables por la adición de tensioactivos internos o externos. En todos los casos, la estera está permanentemente comprimida, normalmente por la utilización de calor y presión, con el fin de hacer que la almohadilla sea rígida y reducir el tamaño de poro hasta un nivel aceptable.

Sin embargo, hasta la actualidad, el único material disponible para su utilización en baterías de plomo-ácido de tipo recombinante han sido las esteras fabricadas mediante las fibras de vidrio finas mencionadas anteriormente. Las esteras fabricadas a partir de los polímeros fundidos por soplado que se describen en las referencias anteriores no son adecuadas debido a su baja porosidad, gran tamaño de poro incluso cuando están comprimidas y la incapacidad para absorber completamente el electrolito ácido mientras se conserva un volumen de cavidad vacío que pueda transmitir gas entre los electrodos.

Sumario de la invención

Según la presente invención, una almohadilla de separador de batería únicamente adecuada para baterías del tipo recombinante o sellado se fabrica a partir de fibras fundidas por soplado extremadamente finas unidas por sí mismas en una masa cohesiva, no comprimida. Por lo menos el 10% de las fibras presentan un diámetro inferior a un micrómetro, y la mayoría de las fibras presentan un diámetro inferior a cinco micrómetros. Con el fin de obtener una estera de fibras poliméricas adecuada para su utilización en baterías recombinantes, el área de superficie de las fibras en la estera supera los 1,0 m²/g. Además, la estera, que no está permanentemente comprimida, presenta una porosidad mayor que el 90% y un tamaño medio de poro comprendido entre aproximadamente cinco y aproximadamente quince micrómetros.

La estera de fibra se trata con el fin de hacer que sea humectable por el ácido de la batería. Esto puede llevarse a cabo mediante la adición de un agente de superficie activa adecuado al polímero antes de la extrusión, o uniendo de manera covalente grupos hidrófilos a la superficie de las fibras tras la formación.

A diferencia de los separadores de batería fundidos por soplado de la técnica anterior, el separador de la presente invención presenta un efecto mecha y absorbe completamente el electrolito ácido por todas sus dimensiones y llena completamente el espacio entre los electrodos.

El documento GB 2 054 250 da a conocer un separador de batería fundido por soplado con una buena absorción del electrolito ácido, aunque de fabricación costosa y compleja.

Descripción detallada

El sustrato del separador de batería recombinante de la presente invención se forma utilizando un aparato de fusión por soplado convencional. Un aparato de este tipo incluye normalmente una boquilla presurizada, calentada a través de la cual se extruyen una pluralidad de filamentos de polímero termoplástico fundido. La boquilla también utiliza aire calentado y presurizado que fluye en la dirección de la extrusión para atenuar el polímero fundido tras la salida de los orificios. Las fibras se depositan de manera continua en un transportador en movimiento para formar una banda plana consolidada de espesor deseado, que puede cortarse en la forma deseada.

La construcción y el funcionamiento de un aparato de fusión por soplado para formar una estera coherente se consideran convencionales, y el diseño y el funcionamiento se encuentran dentro de la capacidad de los expertos en la materia. El aparato y los procedimientos adecuados se describen en las patentes US nº 3.849.241 y nº 3.972.759.

Los polímeros utilizados para preparar el sustrato incluyen polímeros termoplásticos que pueden extruirse por fusión hasta un diámetro de tamaño submicrométrico, y resistentes a los ácidos fuertes. Candidatos potenciales incluyen poliestireno, poliamidas, poliésteres y poliolefinas, pero se prefiere polipropileno.

Están disponibles muchos enfoques en la selección de una resina adecuada. Las resinas denominadas polipropileno de metaloceno, producidas por la catálisis en un solo sitio,...

1. Separador de batería para su utilización entre los electrodos de una batería recombinante de tipo plomo-ácido, comprendiendo dicho separador una estera no comprimida de fibras de polímero poliolefínico termoplástico fundidas por soplado unidas térmicamente que presentan un diámetro medio de poro en el intervalo comprendido entre 8 y 12 micrómetros, presentando por lo menos el diez por ciento de dichas fibras unos diámetros inferiores a un micrómetro y presentando por lo menos el sesenta por ciento de dichas fibras diámetros inferiores a cinco micrómetros, presentando dichas fibras un área de superficie mayor que 1 m²/g, presentando dicha estera una porosidad frente a los líquidos de por lo menos el 90 por ciento y presentando un volumen de cavidad del cinco al quince por ciento tras la carga con ácido líquido para permitir la transmisión de gas, tratándose dichas fibras con un agente seleccionado de entre el grupo constituido por polivinilpirrolidona y poliacrilamida para hacer que sean humectables en ácido, adaptándose dicho separador para absorber completamente dicho ácido líquido, en el que dicha estera no comprimida hace referencia a no modificar dicha estera mediante un procedimiento tal como calentamiento a compresión.

2. Separador de batería según la reivindicación 1, en el que dicho agente se une de manera covalente a dichas fibras.

3. Separador de batería según la reivindicación 1, en el que dicho agente está contenido dentro de dichas fibras.

4. Almohadilla de separador de batería según la reivindicación 1, en la que dicha estera contiene más del 15% de fibras de polímero que presentan un diámetro inferior a un micrómetro.

5. Separador de batería según la reivindicación 1, en el que dicho polímero es polipropileno.

6. Separador de batería según la reivindicación 5, en el que dicho polipropileno es polipropileno de metaloceno que presenta una distribución de peso molecular (MWD) comprendido entre 1,0 y 3,5.

7. Separador de batería según la reivindicación 1, en el que dicho agente es un polímero hidrófilo unido químicamente a dichas fibras de polímero.

8. Separador de batería según la reivindicación 7, en el que dicho polímero hidrófilo es fotoactivable.