Formulaciones de baterías de plomo y ácido que contienen nanotubos de carbono discretos.

Una composición para la construcción de baterías de plomo y ácido,

que comprende:

una pluralidad de fibras de nanotubos de carbono discretos, los nanotubos tienen una relación de aspecto de aproximadamente 10 a aproximadamente 500, y un nivel de oxidación desde aproximadamente 1 por ciento en peso a aproximadamente 15 por ciento en peso;

en donde los nanotubos de carbono discretos están abiertos.

Formulaciones de baterías de plomo y ácido que contienen nanotubos de carbono discretos Campo de la Invención

La presente invención se refiere a composiciones y métodos novedosos para la producción de una batería de plomo y ácido con nanotubos de carbono discretos o mezclas de nanotubos de carbono discretos y placas de grafeno o grafeno

oxidado.

Antecedentes

Los nanotubos de carbono pueden clasificarse por el número de paredes en el tubo como, de pared única, doble pared y paredes múltiples. Cada pared de un nanotubo de carbono puede clasificarse además en de formas quirales o no quirales. Los nanotubos de carbono se fabrican actualmente como bolas o manojos de nanotubos aglomerados. El uso de nanotubos de carbono y grafeno como aditivos para rendimiento mejorado en baterías se pronostica que tiene significativa utilidad para los vehículos eléctricos, y el almacenamiento eléctrico en general. Sin embargo, la utilización de nanotubos de carbono en estas aplicaciones se dificulta debido a la incapacidad general para producir los nanotubos de carbono individualizados de forma fiable.

Las metas de rendimiento de una batería de plomo y ácido son maximizar la potencia específica (energía por unidad de peso, medida en vatios por kilogramo) sobre escenarios designados para alta tasa de descarga, y maximizar la duración de la batería, no sólo en la durabilidad ambiental, sino también más importante en la vida útil (número de posibles cargas y descargas).

Tanto la corrosión (en la placa positiva) y la sulfación (en la placa negativa) definen dos modos de fallo claves de las baterías de plomo y ácido de hoy. Respecto a los fallos de corrosión, este modo de fallo comienza a acelerarse ya sea con un aumento de las temperaturas sobre 21 °C (70 °F), y/o si se deja la batería descargada. Para mitigar los efectos del proceso de corrosión, la mayoría de las compañías de batería enfocan sus investigaciones en el desarrollo de aleaciones de plomo más resistentes a la corrosión y procesos de fabricación de rejilla que reducen los esfuerzos mecánicos en las rejillas fabricadas. Independientemente de la aleación o del proceso de fabricación de la rejilla, esencialmente todos los fabricantes de baterías diseñan la vida útil de la batería basada en aleación de plomo y el área de la sección transversal del alambre de rejilla. Normalmente esta ingeniería se traduce como un cambio en el grosor de la rejilla y espesor de la placa correspondiente. Las rejillas más gruesas proporcionan una vida más larga, pero usualmente sacrifican densidad de potencia, costo, peso y volumen.

Respecto a los fallos de sulfación, cuando una batería de plomo y ácido se deja en posición de circuito abierto, o se mantiene en un estado parcial o totalmente descargada por un período de tiempo, el sulfato de plomo formado en la reacción de descarga recristaliza para formar áreas de superficie inferiores de cristales de sulfato de plomo más grandes, que a menudo se refieren como sulfato de plomo duro. Esta área de superficial inferior, de sulfato de plomo no conductor, bloquea la trayectoria conductora necesaria para la recarga. Estos cristales, especialmente aquellos más alejados de la rejilla de electrodos, son difíciles de convertir de nuevo en materiales activos cargados, plomo y dióxido de plomo. Incluso una batería en buen estado perderá un poco de capacidad con el tiempo debido al crecimiento continuo de grandes cristales de sulfato de plomo que no se recargan por completo durante cada recarga. Estos cristales de sulfato, de densidad de 6,287 g/cc, también son más grandes en volumen en alrededor del 37% de la pasta original, por lo que deforman mecánicamente la placa y empujan aparte el material. La resultante expansión y deformación de las placas también causa que el material activo se separe de los electrodos con una pérdida de rendimiento proporcional. La sulfación es el principal problema en las aplicaciones recreativas durante el almacenamiento de la batería cuando la temporada termina. Los botes, motocicletas, motos de nieve permanecen inactivos en sus meses fuera de uso y, quedan sin carga, descargados hacia un cero % del estado de carga, llevando a la sulfación progresiva de la batería. Por lo tanto, la batería no puede recargarse más, se daña irreversiblemente y debe reemplazarse.

Como los usuarios han llegado a conocer los productos de baterías portátiles en teléfonos móviles y computadoras portátiles, correspondientemente se han convertido en confortables con el proceso de dejar una batería casi sin carga y luego devolverle la carga completa y las capacidades de energía plenas en horas. Las baterías de plomo y ácido tradicionales, debido a su diseño inherente y limitaciones de utilización del material activo, sólo proporcionan relativamente buena vida útil cuando se retira menos de aproximadamente el 80% de la capacidad nominal durante cada evento de descarga de una aplicación. Una batería de este tipo sufre una disminución significativa en el número de veces que puede descargarse y recargarse, es decir, la vida útil, cuando se consume el 100% de la capacidad nominal durante una sola descarga en una aplicación. Muchos productos nuevos que históricamente utilizan baterías de plomo y ácido requieren un salto significativo en la vida útil. Los ejemplos más notables son los Vehículos Eléctricos Híbridos, que funcionan en una condición de estado de carga parcial de alta tasa. Esta es una aplicación agotadora que acorta dramáticamente la vida útil de una batería de plomo típico, y por lo tanto ha dejado a las empresas de automóviles sin

opción, excepto ir a baterías mucho más costosas de níquel-hidruro metálico, y experimentar con baterías de iones de litio.

Típicamente, una batería de plomo y ácido requerirá un tiempo de recarga significativamente más largo que las baterías de la competencia que contienen los materiales avanzados vistos en productos portátiles. Una carga completa de una batería de plomo y ácido, tal como se encuentra en los vehículos eléctricos, puede tomar de 8 a 16 horas. En el caso de Fuentes de Alimentación Ininterrumpida (UPS), una tasa de carga rápida es esencial para asegurar un rendimiento de calidad, así como reducir el gasto de capital relacionado para respaldar el equipo mientras la carga tiene lugar en las baterías iniciales puestas en servicio.

Las condiciones ambientales tales como la vibración también pueden dar lugar a la degradación de una batería de plomo y ácido debido al material activo que separa el cátodo o ánodo. Las baterías más resistentes a las vibraciones, tales como las usadas para botes de recreo, frecuentemente contienen electrodos más gruesos o estructuras especiales de amortiguación de vibración dentro de la batería. Esto aumenta el peso y el costo de la batería. Por lo tanto, un aumento de la resistencia mecánica de la pasta del material activo sería una característica altamente deseable.

Los métodos tradicionales para producir placas de batería para las baterías de plomo y ácido generalmente Implican operaciones de mezcla, curado y secado en que los materiales activos en la pasta para batería sufren cambios físicos y químicos que se usan para establecer la estructura química y física y la resistencia mecánica subsequente necesaria para formar la placa de batería. Para producir las placas típicas de la batería, se añaden los materiales a las máquinas comerciales de empastado de mezclas comunes en la Industria en el orden de óxido de plomo, floculo, agua y ácido sulfúrico, que luego se mezclan hasta obtener una consistencia de pasta. El componente floculo es un material fibroso, por lo general compuesto de poliéster, nylon o fibras acrílicas, que se añade opcionalmente a la pasta para aumentar la resistencia mecánica de la placa empastada. Un componente "expansor" convencionalmente se añade a la pasta negativa, que consiste en una mezcla de sulfato de bario, negro de carbón y lignosulfonato que se añade a la pasta negativa para mejorar el rendimiento y el tiempo de vida útil de la batería. Durante la mezcla, tienen lugar reacciones químicas en la pasta produciendo sulfatos de plomo básicos, el más común de los cuales es el sulfato tribásico de plomo. La composición de la pasta final es una mezcla de sulfatos de plomo básicos, monóxido de plomo sin reaccionar y partículas de plomo libres residuales. Empastar es el proceso de hacer una placa de batería. Esta pasta se dispersa dentro de una máquina comercial automática de empastar de tipo común en la industria, que aplica la pasta a una estructura de rejilla compuesta de una aleación de plomo a alta velocidad. Las placas de pasta son generalmente superficies secadas en un secador de... [Seguir leyendo]

1. Una composición para la construcción de baterías de plomo y ácido, que comprende:

una pluralidad de fibras de nanotubos de carbono discretos, los nanotubos tienen una relación de aspecto de aproximadamente 10 a aproximadamente 500, y un nivel de oxidación desde aproximadamente 1 por ciento en peso a aproximadamente 15 por ciento en peso; en donde los nanotubos de carbono discretos están abiertos.

2. La composición de la reivindicación 1, comprende además al menos un surfactante o dispersante auxiliar, en donde el surfactante o dispersante auxiliar contiene una porción de sulfato.

3. La composición de la reivindicación 1, comprende además agua, en donde las fibras de nanotubos se dispersan en el agua para formar un material expansor o pasta para batería.

4. La composición de la reivindicación 2, en donde el surfactante o dispersante auxiliar es un polímero sulfonado seleccionado del grupo que consiste en: lignosulfonato, poliestireno sulfonado, y combinaciones de los mismos.

5. La composición de la reivindicación 1, siendo un material para pasta para batería para una batería de plomo y ácido, que comprende además:

un material orgánico; una sal inorgánica; y una porción de carbono sin fibra.

6. La composición de la reivindicación 5, en donde la sal inorgánica se selecciona del grupo que consiste en: sulfato de bario, sulfato de plomo, sulfato de calcio y óxido de estaño.

7. La composición de la reivindicación 5, en donde la porción de carbono sin fibra se selecciona entre el grupo constituido por: negro de carbón, grafito y grafeno.

8. Un proceso para producir un material de batería de plomo y ácido, que comprende las etapas de:

(a) selección de fibras de nanotubos de carbono discretos que tienen una relación de aspecto de 10 a 500;

(b) selección de las fibras de nanotubos de carbono discretos que tienen un nivel de oxidación de 1 hasta 15% en peso;

(c) selección de los nanotubos de carbono discretos que tienen al menos una porción de los tubos abiertos;

(d) mezclado de las fibras con un líquido para formar una mezcla líquido/fibra;

(e) combinación de la mezcla de líquido/fibra con un polímero sulfonado;

(f) ajuste del pH a un nivel deseado;

(g) combinación de la mezcla de líquido/fibra con al menos un surfactante;

(h) agitación de la mezcla de líquido/fibra hasta un grado suficiente para dispersar las fibras para formar una mezcla de líquido/fibra dispersa;

(i) combinación de la mezcla de líquido/fibra dispersa con al menos una sal inorgánica para formar una mezcla de fibra/sal;

(j) combinación de una porción de carbono sin fibra con la mezcla de fibra/sal para formar una mezcla de carbono con fibra/sin fibra;

(k) secado de la mezcla de carbono con fibra/sin fibra; y

(l) combinación de la mezcla de carbono con fibra/sin fibra con componentes que contienen plomo para formar una mezcla de pasta para batería.

9. Una batería, que comprende:

el material de la reivindicación 1.

10. La composición de la reivindicación 1, que comprende además polímeros conductores seleccionados del grupo que consiste en: polianilina, vinileno de polifenileno, polivinilpirrolidona, politiofeno poliacetileno, sulfuro de polifenileno, y mezclas, copolímeros y derivados de los mismos.

11. Una pasta para batería, que comprende: el material de la reivindicación 1;

en donde la pasta para batería presenta al menos un 10% de mejor adhesión a los electrodos de carbono/plomo, electrodos de plomo, o electrodos de carbono, que las pastas sin nanotubos de carbono.

12. Una batería, que comprende:

el material de la reivindicación 1;

en donde la pasta para batería presenta un incremento del 10% o mayor en el transporte de iones a cualquier temperatura para una concentración dada de electrolito en comparación con una batería sin nanotubos de carbono a la misma concentración de electrolito y temperatura.

13. Un electrodo negativo para un dispositivo de almacenamiento de energía, que comprende: un colector de corriente;

un recubrimiento conductor resistente a la corrosión fijado a al menos una cara del colector de corriente;

una lámina que comprende partículas de carbono y fibras de nanotubos de carbono discretos que comprenden

de 1 a 15 por ciento en peso de especies oxidadas con relación de aspecto de aproximadamente 10 a

aproximadamente 500, en donde al menos una parte de los nanotubos de carbono discretos son abiertos,

dicha lámina adherida al recubrimiento conductor resistente a la corrosión:

una porción de lengüeta que se extiende desde un lado del electrodo negativo;

una orejeta que comprende plomo o aleación de plomo que encapsula la porción de lengüeta; y

un fundido en puente común que comprende plomo o aleación de plomo por encima de la orejeta y que

encapsula al menos parte de la orejeta.

14. Una batería de plomo y ácido, que comprende: la composición de la reivindicación 1;

en donde al menos un electrodo comprende una pasta para batería que tiene un gradiente de concentración de la composición de la reivindicación 1 a través del espesor de la pasta para batería.

15. La batería de plomo y ácido de la reivindicación 14, en donde la mayor concentración de la composición de la reivindicación 1 está en la superficie del colector de corriente o en la superficie del separador.

16. El uso de la composición de la batería de plomo y ácido de la reivindicación 1 en los vehículos equipados con sistemas de frenado de energía regenerativa o tecnología de arranque y paro para mejorar la eficiencia del combustible

17. El uso de la composición de la batería de plomo y ácido de la reivindicación 1 en fuentes de energía ininterrumpida y energía suavizada.