Baterías ácidas de plomo y pastas para estas.

Una pasta adecuada para una placa negativa de una batería ácida de plomo,

la pasta comprende al menos (a) un material activo basado en plomo y una mezcla de expansores que comprende (b) carbono, (c) sulfato de bario y (d) un lignosulfonato,

caracterizada porque

al menos parte de al menos dos de dichos componentes (a) a (d) están presentes en la pasta como partículas de material compuesto, en donde las partículas de material compuesto comprenden aglomerados de partículas de carbono que tienen, al menos, una parte o más de dichos (a) material activo basado en plomo, (c) sulfato de bario, y (d) lignosulfonato asociados a ellas.

Descripción Baterías ácidas de plomo y pastas para estas.

Campo La presente invención se relaciona con baterías ácidas de plomo y pastas para el uso en la formación de placas de baterías ácidas de plomo, particularmente placas negativas de baterías ácidas de plomo.

Antecedentes La batería ácida de plomo es una batería de almacenamiento electroquímico que comprende generalmente una placa positiva, una placa negativa, y un electrolito que comprende ácido sulfúrico acuoso. Las placas se sostienen en una orientación paralela y se aíslan eléctricamente por separadores porosos para permitir el libre movimiento de los iones cargados. Las placas positivas de la batería contienen un colector de corriente (es decir, una placa o rejilla metálica) cubierta en la superficie con una capa positiva, eléctricamente conductora, de dióxido de plomo (PbO2) . Las placas negativas de batería contienen un colector de corriente cubierto con un material activo negativo, que es típicamente plomo metálico (Pb) .

Durante los ciclos de descarga, el plomo metálico (Pb) suministrado por la placa negativa reacciona con el electrolito de ácido sulfúrico ionizado para formar sulfato de plomo (PbSO4) sobre la superficie de la placa negativa, mientras que el PbO2 localizado en la placa positiva se convierte en PbSO4 sobre o cerca de la placa positiva. Durante los ciclos de carga (a través de un suministro de electrones desde una corriente eléctrica externa) , el PbSO4 en la superficie de la placa negativa se vuelve a convertir en Pb metálico, y el PbSO4 en la superficie de la placa positiva se vuelve a convertir en PbO2. En efecto, un ciclo de carga convierte al PbSO4 en Pb metálico y PbO2; un ciclo de descarga libera el potencial eléctrico almacenado mediante la conversión del PbO2 y del Pb metálico de nuevo en PbSO4.

Las baterías ácidas de plomo se producen actualmente en celdas anegadas y configuraciones reguladas con válvulas. En las baterías de celdas anegadas los electrodos/placas se sumergen en el electrolito y los gases creados durante la carga se liberan a la atmósfera. Las baterías ácidas de plomo reguladas por válvulas (VRLA) incluyen una válvula de un vía que previene que los gases externos entren en la batería pero permite que los gases internos, tal como el oxígeno generado durante la carga, se escapen, si la presión interna excede un cierto umbral. En las baterías VRLA, el electrolito normalmente se inmoviliza, o bien por la absorción del electrolito en un separador de esterilla de vidrio o por la gelificación del ácido sulfúrico con partículas de sílice.

Actualmente, las placas negativas de las baterías ácidas de plomo se producen mediante la aplicación de una pasta de polvo de óxido de plomo (PbO2) de dimensiones micrométricas en ácido sulfúrico sobre las estructuras de aleaciones de plomo eléctricamente conductoras conocidas como rejillas. Una vez que las placas han sido curadas y secadas, se pueden ensamblar en una batería y cargarse para convertir el PbO2 en Pb esponjoso. Como se indica en, por ejemplo, la solicitud de patente de los Estados Unidos núm. 2009/0325068, es normal adicionar una mezcla de expansores a la pasta de óxido de plomo/ácido sulfúrico para mejorar el desempeño del electrodo negativo final. La mezcla de expansores típicamente comprende (a) sulfato de bario para actuar como un agente nucleante para el sulfato de plomo producido cuando la placa se descarga, (b) carbono para incrementar la conductividad eléctrica del material activo en el estado de descarga y (c) un lignosulfonato, u otro material orgánico, para incrementar el área superficial del material activo para ayudar a la estabilización de la estructura física del material activo.

La solicitud de patente de los Estados Unidos núm. 2004/0180264 describe una batería ácida de plomo que comprende un ánodo, un cátodo y una solución electrolítica, en donde al ánodo se adiciona carbono que contiene una sustancia simple y/o un compuesto, donde ambos tienen un catalizador para la desulfuración u oxidación del SOx. Las sustancias catalíticas incluyen Hf, Nb, Ta, W, Ag, Zn, Ni, Co, Mo, Cu, V, Mn, Ba, K, Cs, Rb, Sr y Na o, al menos un óxido, sulfato, hidróxido o carburo de ellos.

La solicitud de patente de Estados Unidos núm. 2011/0020693 describe un electrodo para una batería ácida de plomo que comprende una capa de material activo de electrodo que comprende un material que contiene plomo, un material de carbono poroso y un aglutinante, y un colector de corriente, en donde cuando el peso del átomo de plomo es A y el peso del material de carbono poroso es B, B/ (A+B) x100 satisface 1, 0 a 90%; y dicho aglutinante es un polímero cristalino que tiene una temperatura de fusión de 40 °C o menos, o es un polímero amorfo. La capa de material activo de electrodo comprende una capa, que incluye el material que contiene plomo, y una capa que incluye el material de carbono poroso y el aglutinante, en donde este último está compuesto de partículas de material compuesto esféricas producidas mediante secado por atomización.

La patente de los Estados Unidos núm. 5.547.783 describe una batería ácida de plomo regulada con válvula en la que la capacidad teórica (Ah) del material activo negativo en la batería es menor que la del material activo positivo y el material activo negativo contiene un aditivo conductor en el intervalo de 0, 5 % en peso a 7, 5 % en peso del material activo

negativo. El aditivo conductor es carbono, negro de acetileno, polianilina, estaño en polvo, un compuesto de estaño en polvo, etc., que tiene un diámetro de partícula promedio de 100 µ o menos.

Resumen De acuerdo con la invención, se ha encontrado que pueden alcanzarse mejoramientos significativos en el desempeño de una batería ácida de plomo mediante la adición de al menos dos de los componentes de la pasta de la placa negativa, particularmente el material activo de óxido de plomo y al menos uno de los componentes de la mezcla de expansores, como una partícula de material compuesto, y donde las partículas de material compuesto comprenden aglomerados de partículas de carbono que tienen, al menos, parte de uno o más del material activo basado en plomo, sulfato de bario y lignosulfonato asociados a ellos.

En particular, con la adición de partículas de material compuesto que comprenden cristalitos muy pequeños (tamaños en nm) de PbO2 soportados sobre una gran área superficial, las partículas de carbono pueden actuar como sitios de nucleación y reducir el tamaño de las partículas de Pb producidas en la carga de las placas y, por tanto, de los cristalitos de PbSO4producidos en la descarga de la placa. Una vez que se forman, estos pequeños cristalitos de PbSO4 requerirán mucho menos tiempo para la conversión total en Pb durante los ciclos de carga. Adicionalmente, estos se distribuyen sobre la superficie del soporte de carbono que inhibirá que experimenten a una rápida sinterización. Las partículas integradas de soporte de carbono/fase activa también asegurarán una porosidad pre-bloqueada y diseñada de la capa del electrodo que pueda preservarse por un gran número de ciclos. Un beneficio adicional de este enfoque será el mejoramiento de la utilización de la fase de Pb, que debiera proporcionar un incremento en la energía y densidad de potencia de la batería ácida de plomo, junto con una capacidad de ciclado mejorada. Igualmente, las pequeñas partículas de sulfato de bario pre-depositadas sobre la superficie de carbono pueden actuar como un agente nucleante para el sulfato de plomo producido cuando la placa se descarga.

En un aspecto, la invención reside en una pasta adecuada para una placa negativa de una batería ácida de plomo, la pasta comprende, al menos, (a) un material activo basado en plomo y una mezcla de expansores que comprende (b) carbono, (c) sulfato de bario y (d) un lignosulfonato, en donde al menos parte de los dos componentes mencionados (a) a (d) están presentes en la pasta como partículas de material compuesto, en donde las partículas de material compuesto comprenden aglomerados de partículas de carbono que tienen al menos parte de uno o más del material activo basado en plomo, sulfato de bario y lignosulfonato asociados a ellas.

Convenientemente, las partículas de material compuesto comprenden aglomerados de partículas de carbono, especialmente partículas de negro de carbono, que tienen al menos parte de uno o más de dicho (a) material activo basado en plomo, (c) sulfato de bario y (d) lignosulfonato asociados a ellas. Generalmente, dichos aglomerados de partículas de carbono tienen un tamaño de partícula promedio, D50, menor que 200 micrones, tal como menor que 100 micrones, por ejemplo, menor que 10 micrones. Convenientemente,... [Seguir leyendo]

1. Una pasta adecuada para una placa negativa de una batería ácida de plomo, la pasta comprende al menos (a)

un material activo basado en plomo y una mezcla de expansores que comprende (b) carbono, (c) sulfato de 5 bario y (d) un lignosulfonato, caracterizada porque al menos parte de al menos dos de dichos componentes (a) a (d) están presentes en la pasta como partículas de material compuesto, en donde las partículas de material compuesto comprenden aglomerados de partículas de carbono que tienen, al menos, una parte o más de dichos (a) material activo basado en plomo, (c) sulfato de bario, y (d) lignosulfonato asociados a ellas.

2. La pasta de la reivindicación 1, en donde dichos aglomerados de partículas de carbono comprenden negro de 15 carbono.

3. La pasta de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en donde dichos aglomerados de partículas de carbono tienen un tamaño de partícula promedio, D50, menor que 200 micrones.

4. La pasta de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde dichos aglomerados de partículas de carbono tienen un tamaño de partícula promedio, D50, menor que 100 micrones.

5. La pasta de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde dichos aglomerados de partículas de carbono tienen un tamaño de partícula promedio, D50, menor que 30 micrones.

6. La pasta de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde dichos aglomerados de partículas de carbono tienen un tamaño de partícula promedio, D50, menor que 10 micrones.

7. La pasta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas de material compuesto

comprenden aglomerados de partículas de carbono que tienen al menos parte de dicho material activo basado en plomo dispuesto entre y sobre la superficie de dichos aglomerados de partículas de carbono.

8. La pasta de la reivindicación 7, en donde dicho material activo basado en plomo comprende un óxido de plomo, sulfato de plomo o una mezcla de ellos.

9. La pasta de la reivindicación 7 o de la reivindicación 8, en donde la relación en peso del carbono respecto al mencionado material activo basado en plomo es de 99:1 a 80:20.

10. La pasta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas de material compuesto

comprenden aglomerados de partículas de carbono que tienen, al menos parte de dicho sulfato de bario dispuesto entre y sobre la superficie de dichos aglomerados de partículas de carbono.

11. La pasta de la reivindicación 10, en donde la relación en peso de carbono respecto al sulfato de bario es de 90:10 a 50:50.

12. La pasta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas de material compuesto comprenden aglomerados de partículas de carbono que tienen al menos parte de dicho lignosulfonato dispuesto entre y sobre la superficie de dichos aglomerados de partículas de carbono.

13. La pasta de la reivindicación 12, en donde la relación en peso del carbono respecto al lignosulfonato es de 90:10 a 50:50.

14. Una placa negativa para una batería ácida de plomo producida a partir de la pasta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

15. Una batería ácida de plomo que comprende una placa negativa producida a partir de la pasta de cualquiera de las reivindicaciones 1-13.