Dispositivo optimizado de almacenamiento de energía.

Una batería de plomo-ácido que comprende:

- al menos un electrodo negativo que comprende un material de electrodo de batería con base de plomo y al menosun material de condensador que recubre el material de electrodo de batería con base de plomo,

estando conectadoeléctricamente cada electrodo a un terminal exterior de la batería,

- al menos un electrodo positivo de batería con base de dióxido de plomo, estando conectado eléctricamente cadaelectrodo positivo a un segundo terminal exterior de la batería,

- un separador intercalado entre los electrodos, y

- un electrolito que llena al menos el espacio de los electrodos y separadores;

en la cual el material de condensador que recubre el material de electrodo de la batería con base de plomocomprende un 20-65% en peso de un material carbonáceo de alta conductividad eléctrica, un 30-70% de un materialcarbonáceo con una elevada área de superficie específica, al menos un 0,1% de plomo y aglutinante, y

en la cual el material de condensador de cada electrodo negativo constituye entre el 1 y el 15% en peso del materialde electrodo negativo de la batería.

Dispositivo optimizado de almacenamiento de energía.

Antecedentes La presente invención se refiere a dispositivos de almacenamiento de energía, incluyendo baterías tales como baterías de plomo-ácido.

Existe una creciente demanda para el desarrollo e introducción de vehículos que no dependan casi enteramente de combustibles fósiles, para luchar contra la polución del aire en ambientes urbanos y para reducir el consumo global de las existencias limitadas de combustibles fósiles. Tales vehículos se categorizan en tres clases principales: vehículos de célula energética (VCE) , vehículos eléctricos (VE) , vehículos eléctricos híbridos (VEH) . Existen diversos tipos de vehículos eléctricos híbridos, a saber, microhíbridos, semihíbridos, híbridos medios, e híbridos puros. El voltaje de la batería de los vehículos eléctricos híbridos aumenta en este orden: 12 V para los microhíbridos, 36 V para los semihíbridos, 144 V para los híbridos medios y más de 200 V para los híbridos puros. Por otro lado, la capacidad de la batería disminuye en este orden: 50-60 Ah para los microhíbridos, 15-20 Ah para los semihíbridos, 6-8 Ah para los híbridos medios y 6 Ah para los híbridos puros.

Los vehículos eléctricos y los vehículos eléctricos híbridos pueden utilizar diversos tipos de baterías diferentes, incluyendo baterías de plomo-ácido. Los vehículos eléctricos microhíbridos y semihíbridos pueden utilizar principalmente baterías de plomo-ácido debido a su coste reducido. Los vehículos eléctricos híbridos dependen de una combinación de un motor de combustión interna y de una batería para suministrar energía. Los vehículos eléctricos híbridos ofrecen algunas ventajas sobre los automóviles con motor de combustión interna existentes, incluyendo un mayor uso de la potencia generada eléctricamente, lo que tiene como resultado menores emisiones y en menos consumo de combustible.

Aunque se han producido muchos avances significativos en el desarrollo de nuevas baterías y de redes de energía para los vehículos que dependen al menos parcialmente de la energía eléctrica, las baterías utilizadas en estos vehículos aún sufren diversos problemas.

En todas estas baterías, en las diversas etapas del funcionamiento del vehículo la batería sufre diferentes demandas, en términos de la corriente absorbida de la batería y de la corriente recargada en la misma. En el caso de aplicaciones para vehículos, a modo de ejemplo, es necesario un elevado coeficiente de descarga de la batería para permitir la aceleración de los vehículos eléctricos, o la aceleración y el arranque del motor en los vehículos eléctricos híbridos. Un elevado coeficiente de recarga de la batería está asociado con un frenado regenerativo. En tales aplicaciones con un elevado coeficiente de descarga (y en las aplicaciones con una carga elevada de las baterías) , preferentemente la batería necesita poder suministrar el elevado coeficiente de descarga durante un periodo de 1 minuto o más.

En la situación en la que se utilizan baterías de plomo-ácido, en particular en los vehículos eléctricos híbridos, el elevado coeficiente de descarga y de recarga de las baterías tiene como resultado la formación de una capa de sulfato de plomo en la superficie de la placa negativa, y la generación de hidrógeno/oxígeno en las placas negativa y positiva. Esto se produce en gran medida como resultado de las elevadas demandas de corriente sobre la batería. Las condiciones de estado de carga parcial (PSoC) bajo las que normalmente funcionan estas baterías son del 20100% en los vehículos eléctricos, del 40-70% en los vehículos eléctricos híbridos medios y puros, y del 70-90% enlos vehículos eléctricos microhíbridos y semihíbridos. Éste es un estado de carga parcial con un coeficiente elevado (HRPSoC) . En un rendimiento simulado de HRPSoC, tal como durante las operaciones de un vehículo eléctrico híbrido, las baterías de plomo-ácido fallan prematuramente debido principalmente a la acumulación progresiva de sulfato de plomo en las superficies de las placas negativas. Esto se produce debido que el sulfato de plomo no puede convertirse nuevamente en plomo esponjoso de manera eficiente durante la carga, ya sea por el frenado regenerativo o por el motor. Al final, esta capa de sulfato de plomo se desarrolla hasta tal grado que el área de superficie efectiva de la placa se ve reducida sensiblemente y la placa ya no puede suministrar la elevada corriente demandada por el automóvil. Esto reduce significativamente la potencial vida útil de la batería.

En otros campos tecnológicos será ventajoso proporcionar tipos de batería alternativos que ofrezcan una vida útil y un rendimiento generales mejorados, al tiempo que cumplan las diferentes demandas de energía de la batería.

Por consiguiente, existe una necesidad de baterías modificadas, tales como baterías de plomo-ácido, que tengan una vida útil mejorada y/o un rendimiento general mejorado en comparación con las baterías actuales. También existe una necesidad de identificar componentes de la batería que puedan modificarse para mejorar el rendimiento, en términos de un equilibrio entre capacidad y vida útil.

El documento US 2006/0299801 da a conocer una batería de plomo-ácido que tiene, en el electrodo negativo, una capa de un material condensador con un área elevada de superficie específica (p. ej., de 700 a 3.500 m2/g) y una conductividad elevada. De acuerdo con el ejemplo 19 del documento US 2006/0299801, el nivel de material condensador es de 0, 6 a 0, 7% de la masa en comparación con la masa de material de electrodo de la batería. De acuerdo con el ejemplo 91, el nivel es de 0, 1 a 0, 2% de la masa.

Sumario de la invención De acuerdo con un aspecto, se proporciona una batería de plomo-ácido que comprende:

- al menos un electrodo negativo que comprende un material de electrodo de batería con base de plomo y al menos una región de material condensador que recubre el material de electrodo de batería con base de plomo, estando cada electrodo conectado eléctricamente a un terminal exterior de la batería,

- al menos un electrodo de batería positivo con base de dióxido de plomo, estando conectado eléctricamente cada electrodo positivo con un segundo terminal exterior de la batería,

- un separador intercalado entre los electrodos enfrentados, y

- un electrolito que llena al menos el espacio de los electrodos y separadores;

en el cual el material condensador que recubre el material de electrodo con base de plomo comprende 20-65% en peso de un material carbonáceo de alta conductividad eléctrica, un 30-70% de un material carbonáceo con una elevada área de superficie específica, al menos un 0, 1% de plomo y un aglutinante, y

en el cual el material condensador de cada electrodo negativo constituye entre el 1 y el 15% en peso del material de electrodo negativo de la batería.

Preferentemente, el contenido de plomo en el material de condensador es al menos del 0, 1% en peso.

Preferentemente, el aglutinante está presente en una cantidad de entre el 1 y el 30% en peso, preferentemente entre el 5 yel 20% en peso.

El material condensador puede comprender adicionalmente un material de fibra de refuerzo en una cantidad de hasta el 10% en peso.

De acuerdo con una realización, el material condensador consiste en un 21-65% de un material carbonáceo de alta conductividad eléctrica, un 35-65% de un material carbonáceo con una elevada área de superficie específica, un 340% de plomo, un 5-20% de aglutinante y un 2-10% de material de refuerzo de fibra.

Se ha observado que la configuración por capas proporciona un funcionamiento óptimo de la batería, en particular con las cantidades de materiales carbonáceos en el material condensador descritas en lo que antecede. Adicionalmente, se ha observado que el material condensador de cada electrodo negativo deberá constiuir entre el 1 y el 15% en peso del material de electrodo negativo de la batería. Por debajo del 1% resulta insuficiente para los requisitos mínimos de rendimiento del dispositivo. Por encima del 10% se ha observado que se alcanza la saturación, de tal modo que el aumento de peso adicional no aumenta más el rendimiento. No obstante, al margen de las consideraciones de costes y de peso, un aumento en la masa del material condensador por encima del 10% es aceptable hasta un nivel del 15% aproximadamente.

Se ha observado que la configuración por capas proporciona el área sustancial de interfaz de cohesión entre el material condensador y el material de la batería que se forma a través de la reacción con el material de plomo de la batería y el material carbonáceo del condensador,... [Seguir leyendo]

1. Una batería de plomo-ácido que comprende:

- al menos un electrodo negativo que comprende un material de electrodo de batería con base de plomo y al menos un material de condensador que recubre el material de electrodo de batería con base de plomo, estando conectado eléctricamente cada electrodo a un terminal exterior de la batería,

- al menos un electrodo positivo de batería con base de dióxido de plomo, estando conectado eléctricamente cada electrodo positivo a un segundo terminal exterior de la batería,

- un separador intercalado entre los electrodos, y

- un electrolito que llena al menos el espacio de los electrodos y separadores;

en la cual el material de condensador que recubre el material de electrodo de la batería con base de plomo comprende u.

2. 65% en peso de un material carbonáceo de alta conductividad eléctrica, u.

3. 70% de un material carbonáceo con una elevada área de superficie específica, al menos un 0, 1% de plomo y aglutinante, y

en la cual el material de condensador de cada electrodo negativo constituye entre el 1 y el 15% en peso del material de electrodo negativo de la batería.

2. La batería de plomo-ácido de la reivindicación 1, en la que el aglutinante está presente en una cantidad de entre el 1 yel 30% en peso.

3. La batería de plomo-ácido de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que el material de condensador comprende adicionalmente un material de refuerzo de fibras, en una cantidad de hasta el 10% en peso.

4. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el material de condensador consiste en u.

2. 65% de un material carbonáceo de alta conductividad eléctrica, u.

3. 65% de un material carbonáceo con una elevada área de superficie específica, un 3-40% de plomo, un 5-20% de aglutinante y un 2-10% de un material de refuerzo de fibra.

5. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el material de condensador recubre todas las áreas de superficie del material de electrodo negativo de la batería que están encaradas con un electrodo positivo.

6. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que cada uno de los electrodos negativos comprende un colector de corriente, que está cubierto por ambas caras con un material de electrodo de batería con base de plomo, y una capa de un material de condensador que recubre cada cara del material de electrodo de batería con base de plomo que es opuesta a un electrodo positivo.

7. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que el material de condensador que recubre el material de electrodo de batería con base de plomo tiene una porosidad de entre el 50 y el 90%.

8. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el electrolito está compuesto por una solución acuosa de ácido sulfúrico que contiene 0, 01-0, 3 mol/l de aluminio o 5-50 g/l de Al2 (SO4) 3.18H2O.

9. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que el electrodo positivo comprende un colector de corriente positiva, formado por una aleación de plomo que comprende un 0, 005-0, 015% en peso de Ba, un 0, 03-0, 08% en peso de Ca, un 0, 4-2, 2% en peso de Sn, y plomo.

10. La batería de plomo-ácido de la reivindicación 9, en la que el plomo constituye el resto del material de aleación.

11. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que es una batería de plomo-ácido regulada por válvula.

12. La batería de plomo-ácido de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente unos separadores de microfibra de vidrio absorbente o de manta de vidrio absorbido, situados entre electrodos adyacentes.

13. La batería de plomo-ácido de la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en la que la batería tiene una presión sobre los electrodos de entre 20 y 100 kPa.

14. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, que puede funcionar entre el 95 y el 50% de SOC.

15. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que es una batería de plomo-ácido de electrolito líquido.

16. La batería de plomo-ácido de la reivindicación 15, en la que la batería tiene una presión sobre los electrodos de 5 entre 5 y 45 kPa.

17. La batería de plomo-ácido de la reivindicación 15 o la reivindicación 16, que comprende adicionalmente unos separadores de polímero poroso entre electrodos positivos y negativos adyacentes.

18. La batería de plomo-ácido de la reivindicación 17, en la que los separadores de polímero poroso comprenden adicionalmente un refuerzo de material fibroso no tejido.

19. La batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18, que puede funcionar entre el 98 y el 80% de SOC.

1.

20. Un automóvil que comprende una batería de plomo-ácido de una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19, un motor de combustión interna y un alternador.