MÉTODO Y APARATO PARA MEZCLAR DE FORMA CONTINUA PASTAS DE BATERÍA.

Un método para producir de forma continua pasta en un proceso para la producción continua de electrodos de batería pegados que comprende suministrar óxido de plomo particulado a una mezcladora de reactor alargada que tiene una pluralidad de paletas mezcladoras y paletas transportadoras en serie,

inyectar de forma continua agua y ácido sulfúrico secuencialmente al óxido de plomo en la mezcladora de reactor, mezclar rápidamente y hacer reaccionar el ácido sulfúrico con el óxido de plomo particulado humedecido para formar una mezcla para su paso a través de la mezcladora de reactor alargada durante un tiempo de retención controlado en la mezcladora de reactor en condiciones de mezcla y transporte predeterminadas por lo cual la mezcla se somete a una proporción de mezcla a transporte en la mezcladora de reactor de aproximadamente 65:35 a 80:20, y controlar la temperatura de la mezcla de óxido de plomo, agua y ácido sulfúrico según pasa a través del reactor alargado en toda la longitud de la mezcladora de reactor para una temperatura de salida máxima de un producto de descarga en el intervalo de por encima de 60ºC a aproximadamente 80ºC por lo cual la velocidad de reacción del ácido sulfúrico con el óxido de plomo para la producción de sulfato de plomo y el tamaño de partícula, homogeneidad, consistencia, densidad, plasticidad y porosidad del producto de reacción están controlados

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

(i) Campo de la invención

La presente invención se refiere a la aplicación de una pasta electroquímicamente activa en rejillas de 5 batería y, más específicamente, se refiere a un método y un aparato para mezclar y producir de forma continua una pasta electroquímicamente activa para su aplicación repetitiva en rejillas de batería, de forma discreta o continua, para su empleo en sistemas de baterías de plomo-ácido.

(ii) Descripción de la técnica relacionada

Las Patentes de Estados Unidos 6.886.439 y 7.007.579 de “Teck Cominco Metals Ltd.”, con fechas de 10 concesión de 3 de mayo de 2005 y 7 de marzo de 2006 respectivamente, describen un método y un aparato para producir de forma repetitiva placas de electrodos positivo y negativo de baterías a partir de una rejilla metálica recubierta de forma continua con una pasta electroquímicamente activa, con la que pueden obtenerse placas de batería sin barreras de papel para su uso en las baterías de plomo-ácido. La pasta de batería convencionalmente se produce en un proceso discontinuo en el que los componentes de partículas de óxido de plomo en seco, agua y 15 ácido sulfúrico, entre otros, se mezclan para producir una pasta de viscosidad deseada, con la que se rellenan las cavidades de las bandas de la rejilla, cubriéndose y adhiriéndose por las caras opuestas de la misma.

La producción discontinua de pasta de batería, que normalmente requiere cómo mínimo de 20 minutos de mezclado, presenta inherentemente una viscosidad y dispersión de sus componentes no uniforme. Mediante técnicas convencionales de mezcla discontinua, el calor desprendido por las reacciones químicas exotérmicas 20 dentro de la pasta es difícil de controlar, ocasionando elevados gradientes de temperatura en la misma. Los procesos de producción discontinua típicamente se llevan a cabo a una temperatura aproximada de 60ºC, teniendo lugar la aplicación de la pasta a aproximadamente 49ºC.

Es común que el óxido de plomo se manipule por diversos medios en la fabricación de baterías de plomo-ácido, presentándose de forma aglutinada y apelmazado, antes de introducirse en el sistema de mezclado de pasta. 25 Los grupos de óxido de plomo aglutinado pueden llegar a convertirse en sólidos duros y resistentes a golpes como consecuencia de su aglomeración en las tuberías o partes del sistema o debido a la humedad del contacto del óxido de plomo con agua de fugas en el sistema o de condensación. El material aglutinado no puede controlarse o cribarse fácilmente desde la corriente del producto, ya que cualquier dispositivo de eliminación es rápidamente tapado por la propia adhesión que presenta el polvo de la mezcla, causando más problemas de mantenimiento y una 30 disminución de la productividad. En los procesos convencionales de mezcla es improbable que los aglutinados se deshagan y, aún cuando se deshacen, los mismos no son lo suficientemente pequeños como para pasar a través de las operaciones de formación de pasta posteriores sin provocar el bloqueo y obstrucción del sistema. Estas partículas no sólo perturban el funcionamiento normal, sino que además pueden producir un aumento de la cantidad de los desechos producidos. 35

Durante más de 35 años se ha tratado de producir pasta de batería mediante un proceso continuo, preferentemente en función de la demanda, por los beneficios intrínsecos de los procesos continuos, pero sin éxito. Los problemas del proceso discontinuo han dado como resultado una ausencia de contenido de agua uniforme en la pasta, necesaria para la densidad deseada, viscosidad y la cizalla de la pasta necesaria para permitir la aplicación de la pasta a placas de batería de una manera consistente y reproducible. La imposibilidad de realizar un mezclado 40 eficaz hace que la reacción química se retarde y sea incompleta en las mezcladoras, teniendo lugar la terminación de la reacción en la pasta de producto fuera de las mezcladoras, a menos que las velocidades de suministro sean extremadamente bajas.

La Patente de Estados Unidos Nº 3.576.675, con fecha de concesión de 27 de abril 1971, de “Ford Motor Company”, describe un método y un aparato para la producción y mezcla continua de pasta de batería en el que la 45 velocidad de suministro de partículas de óxido de plomo en seco en un alojamiento de mezclado se controla, y las cantidades de agua y ácido sulfúrico se inyectan de forma secuencial en el alojamiento de mezclado en función del peso de óxido de plomo. El aparato de mezclado incluye un par de ejes que giran en paralelo con paletas mezcladoras montadas en ellos, separados por discos de control de flujo estacionario alternativos para dirigir los componentes de la pasta radialmente a través del alojamiento de mezclado en un movimiento de giro lento, mientras 50 se mueven en el interior del alojamiento. A pesar de la gran necesidad existente para la producción y mezclado continuo de pasta de batería para mantener la composición y la viscosidad uniformes, la tecnología de la Patente de Estados Unidos Nº 3.576.675 no se ha utilizado comercialmente.

Convencionalmente, fibras tales como fibras poliméricas o modacrílicas, se añaden a la pasta de batería en una cantidad que aproximadamente oscila entre el 0,03% y el 0,15% del óxido de plomo para mejorar la resistencia 55 mecánica de la placa y eliminar la aparición de grietas en la masa activa. Algunas fibras son difíciles de dispersar, lo que resulta en una disminución de la resistencia de la placa así como en problemas en la máquina de procesado de la pasta, como consecuencia del aglutinamiento de las fibras. Además, otros inconvenientes se derivan de la extracción y obtención de gránulos a partir de las placas durante su manipulación posterior. Estos problemas son tanto más acusados cuanto mayor es la cantidad de fibra añadida. Las fibras largas, que son deseables para 60 proporcionar una resistencia mayor, son aún más difíciles de mezclar en los sistemas de proceso discontinuo y, por tanto, los fabricantes de baterías evitan su uso. La pasta con fibras de polipropileno es particularmente difícil de mezclar en los sistemas de proceso discontinuo y por ello raramente usada.

Se pueden agregar partículas de carbono en forma de polvo de carbono orgánico, carbono activado en polvo o grafito en polvo, copos de grafito o esferas de grafito junto con otros componentes, tales como expansores a 65 base de carbono, para mejorar la conductividad de las placas negativo de la batería en todos los tipos de pilas de

plomo-ácido (SLI, industriales, etc.). En la actualidad, el carbono se agrega en una proporción de 0,3% a 1% en peso del óxido de plomo. En algunos casos, una proporción mayor de carbono sería deseable, pero esto no es posible en la práctica para los procesos discontinuos convencionales, ya que el carbono no se puede introducir en la mezcla y dispersar homogéneamente, debido a la gran diferencia de densidad entre el óxido de plomo y el carbono, así como al aglutinamiento o aglomeración del mismo, lo que resulta inaceptable en las pastas. 5

Hay muchos tipos diferentes de baterías de plomo-ácido y muchas más aplicaciones diferentes. Debido a la diversidad del producto, algunos fabricantes de baterías utilizan diferentes tipos de aditivos. Un ejemplo de aditivo son las semillas de cristales de sulfato de plomo tetrabásico, también disponible en múltiples formas diferentes. Estos aditivos acortan el proceso de curado y aseguran el adecuado curado y conversión del material activo a un cristal de sulfato de plomo tetrabásico obtenido con el tamaño adecuado de cristal, forma y distribución requeridos. 10 Esta morfología de cristal controlada proporciona resistencia a la masa activa de la placa de batería y permite aumentar la vida útil del producto. Los aditivos ayudan al crecimiento de los cristales de sulfato de plomo tetrabásico, proporcionando puntos de siembra para el crecimiento de estos cristales. En las mezcladoras discontinuas convencionales, la distribución es menor de lo deseado, dejando grandes zonas sin semillas, mientras que otras áreas tienen semillas en exceso provocando en ellas reacciones químicas que producen un crecimiento demasiado 15 grande de las semillas y agotando la reacción antes de que pueda completarse la formación de los cristales como es precisa. Esto provoca variaciones en el porcentaje de cristales de sulfato de plomo tetrabásico afectando al tamaño y la estructura de los cristales.

La presencia de pequeñas cantidades de sulfato de plomo tetrabásico en... [Seguir leyendo]

1. Un método para producir de forma continua pasta en un proceso para la producción continua de electrodos de batería pegados que comprende suministrar óxido de plomo particulado a una mezcladora de reactor alargada que tiene una pluralidad de paletas mezcladoras y paletas transportadoras en serie, inyectar de forma continua agua y ácido sulfúrico secuencialmente al óxido de plomo en la mezcladora de reactor, mezclar rápidamente y hacer 5 reaccionar el ácido sulfúrico con el óxido de plomo particulado humedecido para formar una mezcla para su paso a través de la mezcladora de reactor alargada durante un tiempo de retención controlado en la mezcladora de reactor en condiciones de mezcla y transporte predeterminadas por lo cual la mezcla se somete a una proporción de mezcla a transporte en la mezcladora de reactor de aproximadamente 65:35 a 80:20, y controlar la temperatura de la mezcla de óxido de plomo, agua y ácido sulfúrico según pasa a través del reactor alargado en toda la longitud de la 10 mezcladora de reactor para una temperatura de salida máxima de un producto de descarga en el intervalo de por encima de 60ºC a aproximadamente 80ºC por lo cual la velocidad de reacción del ácido sulfúrico con el óxido de plomo para la producción de sulfato de plomo y el tamaño de partícula, homogeneidad, consistencia, densidad, plasticidad y porosidad del producto de reacción están controlados.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la mezcla se somete a una proporción de mezcla a 15 transporte en la mezcladora de reactor de aproximadamente 75:25, en el que el producto de descarga tiene una temperatura en el intervalo de aproximadamente 68ºC a aproximadamente 79ºC.

3. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que se añaden fibras de refuerzo que son fibras poliméricas, fibras de polipropileno, fibras modacrílicas, fibras de vidrio o fibras de celulosa con el óxido de plomo en una cantidad de hasta el 0,6% en peso del óxido de plomo, y se dispersan uniformemente dentro de la 20 pasta, potenciando de este modo la resistencia y la adhesión de la pasta a un metal en rejilla.

4. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que se añade al menos uno de carbono en polvo, carbono activado en polvo, grafito en polvo, copos de grafito o esferas de grafito en una cantidad de hasta el 6% en peso del óxido de plomo para la dispersión uniforme dentro de la pasta.

5. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1, 2, 3 ó 4, en el que la temperatura de la mezcla se 25 controla para producir una temperatura de salida del producto de descarga de 68ºC - 69ºC.

6. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1, 2, 3 ó 4, en el que la temperatura se controla para proporcionar una temperatura de salida del producto de descarga mayor de 70ºC para la formación y crecimiento de sulfato de plomo tetrabásico, de modo que el producto de descarga contiene cristales de sulfato de plomo tetrabásico. 30

7. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 ó 6, en el que la temperatura de la mezcla mientras pasa a través de la mezcladora de reactor a una velocidad de 150 RPM, durante un tiempo de retención de 30 segundos, se controla para producir una temperatura de salida del producto de descarga de aproximadamente 79ºC

8. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-7, que comprende adicionalmente sembrar el 35 suministro de óxido de plomo particulado con sulfato de plomo tetrabásico, por lo cual el producto de descarga contiene cristales de sulfato de plomo tetrabásico.

9. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 5, 6,7 u 8, que aplica, de forma continua, el producto de pasta de batería de reacción a rejillas de batería.

10. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-9, que proporciona una separación entre la 40 mezcladora de reactor alargada, las paletas mezcladoras y las paletas transportadoras, no mayor de 1,52 mm, por lo cual los materiales de suministro decrecen a un tamaño menor que 1,52 mm.

11. Una pasta de batería producida de forma continua por el método de una de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 ó 5 que tiene un tamaño de partícula máximo menor de 1,52 mm y un tamaño de cristal de sulfato de plomo en el intervalo de 2 a 5 micrómetros en forma sustancialmente tribásica. 45

12. Una pasta de batería producida de forma continua por el método de una de las reivindicaciones 1, 6, 7 u 8 que tiene un tamaño de partícula máximo menor de 1,52 mm y un tamaño de cristal de sulfato de plomo en el intervalo de 2 a 5 micrómetros, con una cantidad controlada de sulfato de plomo tetrabásico.

13. Una pasta de batería de acuerdo con una de las reivindicaciones 11 ó 12, en la que cualquiera de las fibras poliméricas, fibras modacrílicas , fibras de vidrio, fibras de celulosa, carbono en polvo, carbono activado en polvo, 50 grafito en polvo, copos de grafito o esferas de grafito tienen una distribución de homogeneidad comparable a una distribución normal 3 sigma.

14. Una batería de ácido de plomo que tiene una pluralidad de electrodos de batería pegados por la pasta de batería producida de forma continua, de acuerdo con una de las reivindicaciones 11, 12 ó 13.

15. Una mezcladora de reactor para producir de forma continua pasta para electrodos de batería que 55 comprende, un alojamiento alargado que tiene una entrada de suministro en un extremo para recibir el material de suministro de óxido de plomo particulado y una salida de descarga en el extremo opuesto para la descarga continua de pasta de plomo, un par de ejes opuestos montados de forma rotatoria en dicho alojamiento que se extienden desde la entrada de suministro hasta la salida de descarga, para girar a una velocidad en el intervalo de aproximadamente 100 a aproximadamente 150 RPM, una sección de rosca directa formada en cada eje para 60 transportar el material de suministro de óxido de plomo hacia delante al interior de la mezcladora de reactor, y una sección de mezcla formada en cada eje que se extiende desde la sección de rosca directa hasta la salida de descarga, comprendiendo cada sección de mezcla una pluralidad de paletas mezcladoras y paletas transportadoras en serie en una proporción de 65:35 a 80:20 de paletas mezcladoras a paletas transportadoras, teniendo dichas

paletas mezcladoras y paletas transportadoras una separación de 1,52 mm, para hacer avanzar dicho material de pasta de forma radial a lo largo y a través del alojamiento hasta la salida de descarga durante un tiempo de retención en el alojamiento de aproximadamente 30 a aproximadamente 45 segundos, reduciendo al mismo tiempo de forma concurrente el tamaño del material de suministro de óxido de plomo particulado a menos de 1,52 mm de tamaño. 5