Electrodo de batería de plomo-ácido que comprende una red de poros transversales y procedimiento de fabricación.

Electrodo (8) de batería de plomo-ácido que comprende al menos una estructura porosa (1) a base decarbono con caras principales paralelas y caras laterales rodeadas por una armadura exterior (2),

en el cual laestructura porosa (1), recubierta con una capa de plomo o de aleación a base de plomo, está llena de una pasta abase de plomo, estando el electrodo (8) caracterizado porque:

- la estructura porosa (1) comprende una red ordenada de poros (1a) transversales, homogéneos y perpendicularesa las citadas caras principales

- y la armadura exterior (2) está hecha a base de carbono y recubierta con una capa de plomo o de aleación a basede plomo.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/053771.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: BATIMENT "LE PONANT D" 25, RUE LEBLANC 75015 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: KIRCHEV,Angel,Zhivkov, KIRCHEVA,NINA.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01M10/12 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › H01M 10/00 Celdas secundarias; Su fabricación. › Estructura o fabricación.
  • H01M4/04 H01M […] › H01M 4/00 Electrodos. › Procesos de fabricación en general.
  • H01M4/14 H01M 4/00 […] › Electrodos para acumuladores de plomo.
  • H01M4/20 H01M 4/00 […] › de electrodos empastados.
  • H01M4/22 H01M 4/00 […] › Formación de electrodos.
  • H01M4/38 H01M 4/00 […] › de elementos simples o de aleaciones.
  • H01M4/56 H01M 4/00 […] › de plomo.
  • H01M4/66 H01M 4/00 […] › Empleo de materiales específicos.
  • H01M4/68 H01M 4/00 […] › para utilización en los acumuladores de plomo.
  • H01M4/73 H01M 4/00 […] › para acumuladores de plomo, p. ej. placas de cuadros.
  • H01M4/80 H01M 4/00 […] › Placas porosas, p. ej. soportes sinterizados.
  • H01M4/82 H01M 4/00 […] › Procesos de varias etapas para la fabricación de soportes para acumuladores de plomo-ácido.

PDF original: ES-2439017_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Electrodo de batería de plomo-ácido que comprende una red de poros transversales y procedimiento de fabricación

Ámbito técnico de la invención La invención se refiere a un electrodo de batería de plomo-ácido que comprende al menos una estructura porosa a base de carbono con caras principales paralelas y caras laterales rodeadas por una armadura exterior, en el cual la estructura porosa, recubierta con una capa de plomo o de aleación a base de plomo, está llena de una pasta a base de plomo.

La invención también se refiere a un procedimiento de fabricación de tal electrodo.

Estado de la técnica Las baterías de plomo-ácido están generalmente constituidas por un apilamiento de celdas electroquímicas. Cada celda comprende dos electrodos que comprenden cada uno un colector de corriente poroso, también llamado rejilla, y un material activo a base de plomo o dióxido de plomo, así como un electrolito a base de ácido sulfúrico.

El principal problema de las baterías de plomo-ácido es su baja densidad de energía. En el caso de las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula («Valve Regulated Lead-Acid Batteries» o VRLAB) , la densidad de energía está comprendida entre 30 y 40 Wh/kg, mientras que el valor teórico de este tipo de batería es de 167 Wh/kg. Dos motivos explican la diferencia entre el valor teórico y el valor real de la densidad de energía. En primer lugar, los colectores de corriente de la batería, que también actúan como soporte mecánico para los materiales activos (pasta a base de plomo poroso y pasta de base de óxido de plomo poroso) , en general están hechos de plomo (metálico) , lo que aumenta considerablemente el peso de tal batería. En segundo lugar, el coeficiente de utilización de un material activo, que representa la parte del material activo que reacciona electroquímicamente, es bajo. Este valor varía entre el 40 y el 50 %, dependiendo del tipo de material utilizado para el colector de corriente positivo o el colector de corriente negativo y dependiendo de su geometría (colectores en forma de placas, tubulares, planos o bipolares) . En términos generales, existen dos fenómenos que limitan la eficacia de los materiales activos:

-durante la descarga de la batería, una parte del material activo sufre un fenómeno de sulfatación, lo que aumenta significativamente la resistencia óhmica del material activo y disminuye el uso de material no sulfatado. Un estudio de este fenómeno se presenta, por ejemplo, en el artículo «The use of titanium in the lead-acid batteries» (Power

Sources 4, ed. D.H. Collins, 1973, pp. 5-538) por Faber para un colector de corriente de titanio y dióxido de plomo utilizado como material activo positivo.

-la descarga consume el electrolito. El electrolito entra en el espacio situado entre los dos electrodos de la celda y se infiltra en los poros de los colectores de corriente. Así pues, las partes del material activo situadas lejos de la

superficie de los colectores de corriente no reciben electrolito y no participan en las reacciones, tal como describe Bode en el artículo «Lead-Acid Batteries» (John Wiley & Sons, 77, pp.156-159) .

Por consiguiente, la comparación de estos dos fenómenos que limitan el uso del material activo indica que la geometría de los colectores de corriente, en general en forma de una rejilla, es el principal factor que limita el

rendimiento de la batería.

La patente US7060391 propone la sustitución de los colectores de corriente tradicionales de plomo por colectores de carbono muy porosos con el fin de mejorar la densidad de energía de la batería. Estos colectores están formados por espumas de carbono, tales como los carbonos vítreos reticulados, también denominados «RVC» («Reticulated

Vitreous Carbon») . Los poros de estas espumas están llenos de materiales activos que facilitan las reacciones químicas. El tamaño de los poros es menor que 1 mm, lo que permite obtener un coeficiente de utilización de hasta entre el 70 % y el 80 %. A pesar de esta ventaja, el uso de estas espumas sigue siendo limitado debido a los siguientes problemas:

-la gran porosidad de estas espumas (95 % de vacío) aumenta en gran medida la resistencia eléctrica. Las soluciones que añaden una armadura y un conector de plomo alrededor de la espuma para recoger la corriente suponen un incremento del peso del electrodo, además de reducir la densidad de energía de la batería. Además, estos procedimientos resultan costosos, puesto que requieren equipos específicos.

-la estructura irregular de la espuma dificulta la etapa de difusión de la pasta de material activo. Una pasta dispuesta de forma no homogénea en los poros de la espuma reduce el uso del material activo y la vida útil de la batería.

Además, durante un ciclo de carga-descarga, y especialmente en el curso de un ciclo de descarga profunda, el

volumen de los electrodos varía en gran medida a causa de la diferencia de volúmenes molares entre el sulfato de plomo y el plomo/dióxido de plomo. Las tensiones mecánicas generadas provocan la degradación progresiva de la batería, en particular del material activo del electrodo positivo. En efecto, este se disgrega y se separa de la rejilla. Este problema se resuelve mediante el uso de separadores hechos de fibras de vidrio microporoso, también conocido con la sigla AGM («Absorptive Glass Mat») . Una hoja de tipo AGM se encuentra fijada sólidamente entre los dos electrodos, ejerciendo una fuerza de compresión sobre estos. Esta compresión impide la degradación del material activo causada por el cambio de volumen y aumenta la vida útil de la batería, tal como demuestran Takahashi y cols. («Physical Changes in Positive Active Mass during Deep Discharge-Charge Cycles of Lead-Acid Cell», J. Electrochem. Soc., Vol. 130, pp. 2144-2149, 1983) . Sin embargo, esta tecnología no es aplicable a los colectores de corriente hechos de espumas de carbono, tales como los RVC o de carbono/grafito, puesto que la compresión provocaría la rotura del material. No obstante, en ausencia de separadores de tipo AGM, las espumas de carbono poseen una vida útil corta.

Objeto de la invención El objeto de la invención es un electrodo para una batería de plomo-ácido que comprende al menos una estructura porosa a base de carbono con caras principales paralelas y caras laterales rodeadas por una armadura exterior, en el cual la estructura porosa, recubierta con una capa de plomo o de aleación a base de plomo, está llena de una pasta a base de plomo, y que solucione los defectos de la técnica anterior. Más particularmente, el objeto de la invención es dar a conocer un electrodo que sea compacto, ligero, sólido y que resulte fácil de realizar, que permita la producción de baterías con una alta densidad de energía.

De acuerdo con la invención, este objeto se logra por el hecho de que la estructura comprende una red ordenada de poros transversales, homogéneos y perpendiculares a las citadas caras principales, y por el hecho de que la armadura exterior está hecha a base de carbono y está recubierta por una capa de plomo o de aleación a base de plomo.

La invención tiene como objeto además un procedimiento para la fabricación de tal electrodo que resulte fácil de realizar.

Este objeto se logra por el hecho de que el procedimiento comprende sucesivamente:

-la realización de un soporte provisional, que comprende la citada red ordenada de poros, impregnado con al menos una primera resina termoendurecible a base de carbono, -la formación de la armadura exterior alrededor de dicho soporte provisional, por moldeo de una mezcla que

comprende al menos una segunda resina termoendurecible a base de carbono, y endurecimiento de la citada mezcla, -el corte en rebanadas del conjunto formado por el soporte provisional rodeado por la armadura exterior, -el tratamiento térmico en atmósfera inerte del citado conjunto, carbonizando los materiales del conjunto, -el depósito de una capa de plomo o de aleación a base de plomo sobre todas las superficies del conjunto,

-el llenado con una pasta a base de plomo que constituye el material activo de la batería de los poros de la estructura porosa obtenida después del tratamiento térmico.

Breve descripción de los dibujos 50 Otras ventajas y características se extraerán más claramente de la descripción que viene a continuación de las formas particulares de realización de la invención, dadas a título de ejemplos no limitativos y representadas en los dibujos anexos, en los que:

-la figura 1 representa una forma particular de realización de un electrodo de batería de plomo-ácido de acuerdo con 55 la invención.

-las figuras 2 y... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Electrodo (8) de batería de plomo-ácido que comprende al menos una estructura porosa (1) a base de carbono con caras principales paralelas y caras laterales rodeadas por una armadura exterior (2) , en el cual la estructura porosa (1) , recubierta con una capa de plomo o de aleación a base de plomo, está llena de una pasta a base de plomo, estando el electrodo (8) caracterizado porque:

-la estructura porosa (1) comprende una red ordenada de poros (1a) transversales, homogéneos y perpendiculares a las citadas caras principale.

10. y la armadura exterior (2) está hecha a base de carbono y recubierta con una capa de plomo o de aleación a base de plomo.

2. Electrodo (8) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la armadura exterior (2) está

hecha de carbono vítreo. 15

3. Electrodo (8) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la estructura porosa (1) está hecha de carbono vítreo.

4. Electrodo (8) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la 20 red de poros presenta la forma de un panal de abejas.

5. Electrodo (8) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque los poros presentan un tamaño de 1 a 4 mm.

6. Electrodo (8) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la estructura se encuentra dividida en al menos dos partes (1b, 1c) por una armadura interior (6) a base de carbono.

7. Procedimiento de fabricación de un electrodo (8) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende, sucesivamente:

- la realización de un soporte provisional (4) , que comprende la citada red ordenada de poros (1a) , impregnado con al menos una primera resina termoendurecible a base de carbono, -la formación de la armadura exterior (2) alrededor de dicho soporte provisional (4) , por moldeo de una mezcla que comprende al menos una segunda resina termoendurecible a base de carbono, y endurecimiento de la citada mezcla, -el corte en rebanadas del conjunto formado por el soporte provisional (4) rodeado por la armadura exterior (2) , -el tratamiento térmico en atmósfera inerte del citado conjunto, carbonizando los materiales del conjunto, -el depósito de una capa de plomo o de aleación a base de plomo sobre todas las superficies del conjunto, -el llenado con una pasta a base de plomo que constituye el material activo de la batería de los poros (1a) de la estructura porosa (1; 1b; 1c) obtenida después del tratamiento térmico.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el soporte provisional (4) está hecho de papel.

9. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque las primera y segunda resinas termoendurecibles a base de carbono son idénticas.

10. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 y 9, caracterizado porque la mezcla comprende fibras o partículas de carbono y un disolvente. 50

11. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado porque el depósito de la capa de plomo o de aleación a base de plomo se realiza por electrodepósito.


 

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