MX2012010205A - Baterias de plomo y acido reguladas por valvula, bipolares, de peso ligero y metodos de las mismas. - Google Patents

Abstract

Baterías de VRLA de peso ligero comprenden un sustrato de plomo delgado que se soporta por armazones no conductivos preferiblemente de plástico que proporcionan estabilidad estructural para acomodar la tensión y deformación en el montaje bipolar. En baterías particularmente preferidas, los armazones de plástico son soldados con láser conjuntamente y las rejillas fantasmas y materiales de electrodo se acoplan a los lados respectivos del sustrato de plomo. Donde la rejilla fantasma es una rejilla de plomo ultra delgada, la rejilla de plomo preferiblemente se configura para proporcionar una reserva de corrosión de menos de 10 ciclos de carga-descarga y el montaje bipolar se carga en un proceso de formación en tanque. Donde la rejilla fantasma es una rejilla no conductiva, la rejilla de plomo preferiblemente es una rejilla de plástico y el montaje bipolar se carga en un proceso de formación en contenedor. En consecuencia, el peso, volumen, y costos de producción se reducen significativamente mientras la energía específica se incrementa sustancialmente.

Description

BATERÍAS DE PLOMO Y ÁCIDO REGULADAS POR VÁLVULA, BIPOLARES, DE PESO LIGERO Y MÉTODOS DE LAS MISMAS Esta solicitud reivindica la prioridad a nuestra solicitud de patente provisional de Estados Unidos con el número de serie 61/310,847, presentada el 5 de Marzo de 2010.

CAMPO DE LA INVENCIÓN El campo de la invención es las baterías de plomo y ácido y su manufactura, y especialmente se refiere a baterías de plomo y ácido reguladas por válvula (VRLA) .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las demandas incrementadas en el desempeño de las baterías y economía de la manufactura de baterías así como también avances recientes en la tecnología de baterías han proporcionado nuevo impulso al desarrollo y producción de baterías bipolares de plomo y ácido. Sin embargo, a pesar de varias composiciones y métodos mejorados, permanecen varios problemas fundamentales en la manufactura de sustratos y colectores de corriente. Además, a pesar de varios avances en el diseño de baterías bipolares, aún se requieren cantidades relativamente grandes de plomo metálico para retener la estabilidad estructural durante la manufactura y ciclos repetidos de carga/descarga.

Por ejemplo, en el arte se sabe que soldar conjuntamente rejillas de plomo puro y placas de plomo puro para formar una estructura de colector compuesta con impedancia interna relativamente baja y resistencia a la oxidación y corrosión al menos un poco incrementada como se describe en la Patente de Estados Unidos No. 3,806,696. Estos y todos los otros materiales extrínsecos discutidos en la presente se incorporan para referencia en su totalidad. Donde una definición o uso de un término en una referencia incorporada es inconsistente o contrario a la definición de este término proporcionado en la presente, se aplica la definición de este término proporcionado en la presente y no se aplica la definición de este término en la referencia.

Sin embargo, donde tales baterías se someten a ciclo profundo, se forma una capa de PbS04/Pb0x que actuará como un aislante y de este modo conduce a una pérdida de capacidad prematura de la batería. Alternativamente, varias aleaciones de plomo (por ejemplo, aleación de plomo y calcio) se pueden usar conjuntamente con un sustrato de plomo puro como se muestra en la Patente de Estados Unidos No. 6,620,551 para evitar la formación de la capa aislante. Desafortunadamente, como la rejilla conductiva está en la mayoría de los casos laminada al sustrato de plomo, la deslaminación finalmente reducirá el tiempo de vida de tales baterías. Además, y sin considerar el tipo de material de rejilla de plomo, se agrega peso significativo a la batería en virtud de tener una rejilla conductiva.

De manera similar, donde el sustrato es una placa de plomo o una placa revestida con plomo, el escurrimiento de electrolitos desde una celda frecuentemente es inevitable e internamente hará un cortocircuito en la batería. De la misma manera, permanecen las dificultades con el montaje de elementos bipolares en una pila de baterías bipolares. Por ejemplo, se sabe apilar y sellar celdas usando ciertos selladores o dispositivos de sellado. Mientras que tal procedimiento tiende a incrementar la complejidad de la manufactura, aún f ecuentemente proporciona resultados indeseables, especialmente donde la batería está pasando numerosos ciclos. Para superar al menos algunos de los problemas asociados con los selladores o dispositivos de sellado conocidos, los bipolos se pueden presionar conjuntamente para mejorar el sellado de la abertura. Sin embargo, la sobrecompresion negativamente afectará el desempeño de la batería.

Por lo tanto, aún aunque numerosos dispositivos y métodos de baterías bipolares de plomo y ácido son conocidos en el arte, todos o casi todos sufren de varias desventajas. Por consiguiente, aún existe una necesidad de proporcionar baterías bipolares de plomo y ácido mejoradas y procesos de producción .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El tema de la invención se dirige a varios métodos y dispositivos para baterías bipolares de plomo y ácido, y especialmente baterías VRLA con peso significativamente reducido, energía específica incrementada, y manufactura sustancialmente simplificada. En aspectos preferidos particulares, la cantidad total de plomo metálico en la construcción de un bipolo se reduce por reducción y en algunos casos aún la eliminación completa del colector de corriente de lado positivo mientras el escurrimiento del electrolito se evita proporcionando un adhesivo mejorado en el borde del sustrato-armazón, y soldando con láser sucesivamente los armazones en una pila de bipolos.

En un aspecto del tema de la invención, un montaje de electrodo bipolar incluye un primer armazón no conductivo que define una primera ventana, en donde el primer armazón se sóida o pega a un segundo armazón no conductor que define una segunda ventana. Una lámina de plomo luego se acopla a los primero y segundo armazones de modo que los primero y segundo lados opuestos de la lámina de plomo son accesibles a través de las primera y segunda ventanas, respectivamente. En aspectos especialmente preferidos, los primero y/ segundo armazones no conductivos adicionalmente comprenden un adhesivo mejorado (preferiblemente colocado en un canal) que incluye un modificador de viscosidad (por ejemplo, polvo de sílice ahumada) y/o un agente de acoplamiento (por ejemplo, silano) de modo que el adhesivo mejorado se posiciona entre la lámina de plomo y los primero y/o segundo armazones no conductivos. En montajes contemplados, una primera rejilla fantasma se acopla a un material de electrodo positivo, en donde la primera rejilla y el material de electrodo positivo se posicionan en la primera ventana y se acoplan conductivamente al primer lado de la lámina de plomo. Igualmente, una segunda rejilla fantasma se acopla a un material de electrodo negativo, en donde la segunda rejilla y el material de electrodo negativo se posicionan en la segunda ventan y se acoplan conductivamente al segundo lado de la lámina de lomo.

Más preferiblemente, los primero y segundo armazones no conductivos se soldán con láser conjuntamente y/o la lámina de plomo es una aleación de plomo delgada que tiene un espesor de menos de 0.2 mm. Para reducir adicionalmente el peso del montaje, generalmente se prefiere que una o ambas rejillas fantasmas sean manufacturadas de un material no conductivo o de plomo o una aleación de plomo (en este caso, la rejilla fantasma típicamente proporcionará una reserva de corrosión de menos de 10, y aún más típicamente menos de 5 ciclos de carga-descarga) . Adicionalmente se deberá apreciar que el material de electrodo positivo puede ser material activo positivo (seco y curado) , el material de electrodo negativo puede ser material activo negativo (seco y curado) , o que los materiales de electrodo positivo y negativo son pasta de óxido de plomo.

Donde múltiples montajes se apilan conjuntamente y se acoplan a un montaje de polo de extremo negativo y positivo, se forma un montaje de batería bipolar, el cual luego se puede encerrar usando componentes de alojamiento de alojamiento adecuados, o aún encapsular en un polímero (típicamente termoplástico) .

En otro aspecto del tema de la invención, un bipolo de batería de plomo y ácido para el uso en una batería de plomo y ácido regulada por válvula comprenderá una rejilla fantasma que se acopla al material activo positivo, material activo negativo, o pasta de óxido de plomo, en donde la relación en peso de material activo positivo a rejilla fantasma es igual o menor que 0.50, más típicamente igual o menor que 0.40, y muy típicamente igual o menor que 0.25. Donde se desee, el material activo positivo o el material activo negativo puede ser material activo lavado y seco.

En todavía otro aspecto del tema de la invención, una batería de plomo y ácido regulada por válvula tendrá un contenido de plomo metálico y/o aleación de plomo de igual o menos de 10 g/Ah en condición completamente descargada y un contenido de energía específica de al menos 45 Wh/kg, y más preferiblemente un contenido de plomo metálico y/o aleación de plomo de igual o menor que 6.0 g/Ah, o un contenido de energía específica de al menos 54 Wh/kg.

En consecuencia, se contempla un método de manufactura de un montaje de electrodo bipolar que incluye una etapa de posicionar una lámina de plomo que tiene primero y segundo lados opuestos entre un primer armazón no conductivo que define una primera ventana y un segundo armazón no conductivo que define una segunda ventana. En otra etapa, un adhesivo mejorado se posiciona entre la lámina de plomo y al menos uno de los primero y segundo armazones no conductivos, en donde el adhesivo mejorado comprende al menos uno de un modificador de viscosidad (por ejemplo, polvo de sílice ahumada) y un agente de acoplamiento (por ejemplo, un silano) , y en todavía otra etapa, el primer armazón es soldado con láser al segundo armazón de modo que los primero y segundo lados de la lámina de plomo son accesibles a través de las primera y segunda ventanas, respectivamente. En aún otra etapa, la primera rejilla fantasma se acopla a un material de electrodo positivo, y la primera rejilla y el material de electrodo positivo se posicionan en la primera ventana para acoplar conductivamente el material de electrodo positivo al primer lado de la lámina de plomo, y en una etapa adicional, una segunda rejilla fantasma se acopla a un material de electrodo negativo, y la segunda rejilla y el material de electrodo negativo se posicionan en la segunda ventana para acoplar conductivamente el material de electrodo negativo al segundo lado de la lámina de plomo.

Muy preferiblemente, las primera y/o segundo rejillas fantasmas son no conductivas, y los materiales activos positivo y negativo se forman de los materiales de electrodo positivo y negativo en un proceso de formación en contenedor. Alternativamente, las primera y/o segunda rejillas fantasmas son conductivas, y los materiales activos positivo y negativo se forman de los materiales de electrodo positivo y negativo en un proceso de formación en tanque.

Varios objetos, características, aspectos y ventajas del tema de la invención llegarán a ser más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas, junto con las figuras acompañantes en las cuales los números similares representan componentes similares.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La figura 1A es una vista despiezada de un montaje de electrodo bipolar ejemplar de acuerdo con el tema de la invención .

La figura IB es una vista lateral del montaje de electrodo bipolar ensamblado y soldado de la figura 1A.

La figura 2 es una vista despiezada de una VRLA ej emplar .

La figura 3 es una fotografía de placas de PAM y NAM de acuerdo con un aspecto del tema de la invención.

La figura 4 es una ilustración esquemática ejemplar del dispositivo de soldadura con láser de acuerdo con un aspecto del tema de la invención.

La figura 5 es una ilustración esquemática ejemplar de un tanque de formación de acuerdo con otro aspecto del tema de la invención.

La figura 6 es un diagrama de flujo ejemplar del montaje de VRLA usando montajes de electrodo bipolar de acuerdo con el tema de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El inventor ha descubierto que las baterías dipolares, y especialmente VRLAs con altas densidades de potencia se pueden producir en un proceso simple y rentable que significativamente reducirá el uso de peso metálico y sustancialmente elimina el escurrimiento y/o pérdida de electrolito. En aspectos especialmente preferidos, el sustrato de un montaje de electrodo bipolar se hace de una lámina (aleación) de plomo muy delgada, mientras que los colectores de corriente/rejillas se remplazan por una rejilla fantasma (por ejemplo, una rejilla hecha de un material polimérico no conductivo, o una rejilla de plomo ultra delgada que preferiblemente tiene un espesor apenas suficiente para permitir la formación en contenedor sin proporcionar reserva de corrosión para uso durante los ciclos de carga/descarga) . Por consiguiente, el uso de plomo metálico sustancialmente se reduce, típicamente hasta 65% en comparación con los montajes de electrodo bipolar de VRLA conocidos .

Además, el escurrimiento y/o pérdida de electrolito preferiblemente se evita soldando con láser los armazones para proporcionar un sello hermético y durable entre los elementos de armazón. Adicionalmente, el inventor ha descubierto que la interfaz entre el sustrato de plomo y los armazones se puede sellar confiablemente usando una composición adhesiva mejorada que se ha modificado por aditivos para incrementar la viscosidad y adhesión al sustrato. El armazón asi sellado ha probado proporcionar operación libre de escurrimiento durante el tiempo de vida de una batería de VRLA.

Además, se deberá señalar particularmente que los dispositivos y métodos contemplados típicamente no requerirán equipo especializado o restructuración, pero se pueden producir/practicar usando la mayoría sino todos los procesos y equipos de producción actualmente existentes. Por lo tanto, las baterías de VRLA con desempeño y conflabilidad remarcadamente mejoradas se pueden hacer en una manera simple y económica.

Un montaje de electrodo bipolar ejemplar se representa en la figura 1A donde el montaje 100A comprende primero y segundo armazones poliméricos 110A y 110A' , respectivamente, los cuales también definen ventanas respectivas 111A y 111A' . Adicionalmente se prefiere que cada armazón comprende un pequeño canal (o estructura de otra manera rebajada, no mostrada) para acomodar al menos parcialmente el adhesivo mejorado 112A, el cual luego hará contacto de manera sellante con la lámina de plomo 120A, preferiblemente en cualquier lado de la lámina. Los armazones luego se fijan juntos y típicamente se soldán con láser para formar una estructura unitaria. Aún adicionalmente se prefiere que los armazones sean configurados de modo que las ventanas acomodarán las rejillas fantasmas respectivas 130A y 130A' , las cuales pueden o no pueden ser pre-llenadas con materiales de electrodo positivo y negativo 132A y 134A (para fácil ilustración, solamente un campo de rejilla se muestra lleno en la figura 1A) . Como se discutirá adicionalmente a continuación, los materiales de electrodo positivo y negativo 132A y 134A ya han sido sometidos a una etapa de curación, secado, formación, y/o secado posterior a la formación, o pueden ser pasta de óxido de plomo/ácido sulfúrico.

La figura IB representa un montaje de electrodo bipolar ensamblado ejemplar 100B en el cual los dos armazones de polímero transparente 110B y 110B' se soldán con láser conjuntamente. La soldadura con láser 114B típicamente es continua y se forma tal como para producir un sello completo entre los dos armazones. También colocada y retenida entre los dos armazones está la lámina de aleación de plomo 120B. Aquí, se deberá señalar particularmente que la mayoría, sino todos los dispositivos conocidos hasta ahora fueron vulnerables al escurrimiento de electrolito. En el presente ejemplo, el escurrimiento se evita completamente mediante el uso de un adhesivo mejorado 112B que sella circunferencialmente la lámina de plomo al armazón. En contraste con otros dispositivos, el adhesivo mejorado se modifica con un modificador de viscosidad para incrementar la viscosidad y/o agente de acoplamiento para mejorar la adhesión entre la lámina de plomo y el armazón. Tales adhesivos mejorados han probado ser impermeables ' a la migración de electrolito durante periodos extremadamente largos y típicamente superaron la vida de diseño de la batería. Como también se puede ver de la figura IB, los armazones tienen recortes apropiadamente dimensionados para acomodar las rejillas fantasmas de tal manera que los materiales de electrodo y/o rejilla hacen contacto conductivamente con la lámina (aleación) de plomo y acomodan al menos parte del separador. En tales dispositivos, deberá ser fácilmente evidente que múltiples montajes bipolares se pueden soldar conjuntamente para formar así una pila de electrodo bipolar para la producción de una batería bipolar. Los armazones tendrán una o más aberturas adicionales (no mostradas) para permitir el venteo y/o llenado de electrolito .

La figura 2 ilustra esquemáticamente una batería de VRLA ejemplar que usa montajes de electrodo bipolar como se muestra en las figuras 1A y IB. Aquí, la batería 200 incluye una pluralidad de montajes de electrodo bipolar 210 y placas de extremo positivo y negativo 220 y 230, respectivamente. Los montajes de electrodo bipolar 210 se intercalan entre los separadores 240 para completar una celda con la placa de extremo/montaje adyacente (el electrolito se llena en el espacio que incluye los separadores) . En la mayoría de los casos, se incluirán los espaciadores de separador 242, sin embargo, también se pueden integrar en los armazones. Acopladas a las placas de extremo están las placas 232, y el alojamiento de batería se completa por la adición de las placas laterales 260, placa inferior 270, y placa superior 250. La placa superior adicionalmente incluye una válvula 254, orificio de llenado 256 y tapa 255, así como también los sellos de terminales 252 y 253.

En consecuencia, se deberá apreciar que los montajes de electrodo bipolar particularmente preferidos comprenderán primero y segundo montajes no conductivos que definen primera y segunda ventanas respectivas, en donde los armazones preferiblemente se soldán con láser conjuntamente. Colocado entre los armazones está un sustrato de electrodo (muy típicamente plomo puro [por ejemplo, al menos 99.9% en peso] o aleación de plomo (por ejemplo, aleación de plomo y estaño) de modo que los lados opuestos del sustrato son accesibles a través de las primera y segunda ventanas. Para evitar algunas dificultades asociadas con la fuga de electrolito, generalmente se prefiere tener un adhesivo mejorado colocado entre el sustrato y armazones. Una primera rejilla fantasma, típicamente ya acoplada a un material de electrodo positivo, luego se coloca en la primera ventana para permitir el contacto conductivo con el primer lado del sustrato, la segunda rejilla fantasma, también típicamente ya acoplada a un material de electrodo negativo, se coloca en la segunda ventana para permitir el contacto conductivo con el segundo lado del sustrato. Por consiguiente, se deberá reconocer que un montaje de electrodo bipolar durable se puede manufacturar en una manera altamente simplificada que es impermeable a la migración de electrolito indeseable, aún durante varios cientos de ciclos de carga/descarga a condiciones severas de trabajo (por ejemplo, al menos 80% de profundidad de descarga) . Además, y como se describe con más detalle a continuación, el peso de los montajes bipolares se reduce significativamente debido al uso de un sustrato muy delgado, y el reemplazo de rejillas de plomo estructurales conductivas con rejillas fantasmas. Visto desde otra perspectiva, se deberá apreciar que se produce una rejilla de aleación de plomo de peso y reserva de corrosión sustancíalmente reducidos que es bastante fuerte para soportar la tensión y deformación ejercidas por el equipo de producción de alto volumen durante el pegado, secado instantáneo, y apilamiento de electrodos. Por consiguiente, el equipo y procesos de producción ya existentes se pueden usar en conjunto con las enseñanzas presentadas en la presente .

El término "rejilla fantasma" como se usa en la presente se refiere a una rejilla que es no conductiva o una rejilla que es conductiva, pero no proporciona reserva de corrosión más allá de diez, más típicamente cinco, y muy típicamente tres ciclos de carga/descarga. Por consiguiente, donde la rejilla fantasma es conductiva, generalmente se prefiere que la rejilla de haga de plomo o una aleación de plomo que tiene un espesor suficiente para permitir una formación única en tanque o en contenedor, pero que no proporcionará función conductiva más allá de un bajo número (típicamente 1-10) de ciclos de carga/descarga. Alternativamente, se puede configurar una rejilla fantasma como rellenador conductivo o no conductivo que se coloca aleatoriamente en los materiales de electrodo. El término "materiales de electrodo" como se usa en la presente se refiere a un material a base de plomo que está en contacto con la rejilla fantasma, y por consiguiente incluye pasta de plomo (es decir, material antes de la formación) y materiales activos (es decir, material después de la formación) . Los materiales de electrodo activo ejemplares con rellenador de fibra de vidrio, obtenidos de formación en tanque se representan en la fotografía de la figura 3. Aquí, como se detalla adicionalmente a continuación, el panel izquierdo muestra el material activo positivo metálico (PAM) mientras que el panel derecho muestra el material activo negativo marrón (NAM) .

Para baterías bipolares de VRLA, adicionalmente se prefiere generalmente que la relación en peso de material de electrodo a rejilla fantasma sea relativamente baja. Por ejemplo, las relaciones preferidas de rejilla fantasma a material de electrodo (por ejemplo, PA , NAM, pasta de óxido de plomo) son iguales o menores que 0.50, más típicamente iguales o menores que 0.40, y muy típicamente iguales o menores que 0.25. Adicionalmente se contempla que tales rejillas pueden incluir PAN o NAM lavado y secado. En contraste, las baterías de VRLA convencionales tienen una relación de peso de rejilla de plomo a peso de material activo positivo igual a aproximadamente 0.68. En consecuencia, se pueden producir baterías con energía específica mejorada significativa. Por ejemplo, usando los dispositivos y métodos contemplados, se pueden producir baterías de plomo y ácido reguladas por válvula que tienen un contenido de plomo metálico y/o aleación de plomo metálico de igual o menor que 10 g/Ah, más típicamente igual o menor que 8 g/AH y muy típicamente igual o menor que 6 g/Ah (en condición completamente descargada) y un contenido de energía específica de al menos 45 Wh/kg, más típicamente al menos 50 Wh/kg, y muy típicamente al menos 54 Wh/kg. Por ejemplo, tales ventajas se traducen en costos de producción reducidos, uso reducido de hasta 60% de plomo metálico (y en algunos casos aún mayor) , volumen reducido (típicamente al menos 10% de volumen menor) y peso (típicamente 25% de peso total menor) que las baterías de VRLA de propósito general convencionales. Entre otros tipos de baterías, las baterías de VRLA especialmente preferidas incluyen baterías de propósito general, baterías de SLI (arranque, iluminación, encendido), baterías Ude PS (suministro de energía ininterrumpible) , y baterías para transportación (baterías de automóviles híbridos o eléctricos, etc.). Las pruebas independientes de 25 prototipo de pre-producción de baterías de VRLA bipolares de 5Ah-12V han confirmado la firmeza de los bipolos sellados, como es evidenciado por su desempeño durante 220 ciclos a C/3 a 100% DOD a 80% de capacidad inicial.

Con respecto a los materiales de armazón adecuados se deberá apreciar que varios materiales se consideran adecuados, y los materiales especialmente preferidos incluyen materiales de peso ligero que pueden o no ser conductivos. Por ejemplo, los materiales de peso ligero preferidos incluyen varios materiales poliméricos, materiales compuestos de carbono, cerámica de peso ligero, etc. Sin embargo, los materiales particularmente preferidos incluyen aquellos adecuados para soldadura con láser de termoplásticos . Por ejemplo, los materiales termoplásticos contemplados incluyen acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) , varios poliacrilatos (PA), policarbonatos (PC) y polipropilenos (PP), poli (metil metacrilato) (PMMA) , poliestireno (PS) y tereftalato de polibutileno (PBT) , los cuales se pueden reforzar con varios materiales, y especialmente con fibras de vidrio. En efecto, la elección del material en esta instancia solamente se limita por el plástico a ser penetrable por el láser, al menos en algún punto en el proceso de soldadura/montaje. Además, se señala que donde el polímero es completamente transparente, se pueden usar pigmentos (internos o externos) para absorber la energía del láser para facilitar la soldadura .

En consecuencia, la manera de fusión de los armazones variará dependiendo de la elección del material e incluye soldadura por punto y costura, soldadura ultrasónica, soldadura química usando superficies activadas (por ejemplo, superficies grabadas con plasma) , y el uso de uno o más adhesivos. Sin embargo, en modalidades muy preferidas, se emplea soldadura con láser en una manera semi- o completamente automatizada para acoplamiento del armazón así como también montaje del armazón. En tales métodos, un haz láser penetra un armazón termoplástico superior ópticamente transparente u otro componente y se convierte en calor ya sea por un termoplástico absorbente inferior o por un tinte absorbente de láser en la interfaz de soldadura. Adicionalmente se prefiere generalmente que una fuerza externa se aplique durante el proceso de soldadura para forzar conjuntamente ambas partes termoplásticas , permitiendo la conducción de calor desde el termoplástico absorbente de láser al termoplástico penetrable por láser, fundiendo parcialmente asi ambos componentes y creando una unión. La expansión térmica en la zona de soldadura crea presión interna y conduce a una soldadura fuerte entre las partes.

Se deberá apreciar especialmente que la soldadura de transmisión de láser ofrece ventajas significativas en la soldadura de plásticos sobre las tecnologías de soldadura convencionales, incluyendo la falta de contacto con la herramienta de soldadura, técnica de unión flexible, tensión térmica mínima en las partes soldadas, geometría de costura de unión simple, falta de desarrollo de partículas, procesamiento libre de vibración, costura de soldadura ópticamente perfecta, alta precisión, alta resistencia, hermético a gas, sellos herméticos, y falta de consumibles (por ejemplo, adhesivos, sujetadores, etc.). Por consiguiente, las dificultades asociadas con la soldadura ultrasónica o vibración (ver por ejemplo, Patente de Estados Unidos No. 5,512,065, o 5,068,160) actualmente encontradas se pueden evitar completamente. Un dispositivo de soldadura con láser ejemplar se muestra en la figura 4. Aquí, el dispositivo 400 incluye una base típicamente transparente 410 y un cabezal de láser controlado de dos ejes CNC 420. Al menos uno de los armazones termoplásticos (o montajes) 430 y 430' tiene un tinte termoplástico 432, y los armazones u otros componentes se presionan contra la placa de vidrio de retención 440 por accesorio hidráulico o neumático 450, el cual ejerce presión apropiada para la soldadura con láser. Por ejemplo, un dispositivo de soldadura adecuado está comercialmente disponible (Leister Technologies www.leisterlaser.com) e incluye un accesorio que se usa para asegurar los componentes soldados en relación deseada entre si. Un láser apropiadamente alimentado se soporta y mueve por un brazo robótico u otro sistema programable (por ejemplo, brazo CNC9 para dirigir el haz láser a lo largo del patrón de soldadura deseado.

Desde luego, se deberá señalar que se pueden usar adhesivos y/o selladores adicionales para producir un montaje impermeable a electrolitos. Por ejemplo, una gota de adhesivo se puede aplicar a la saliente de un colector de corriente. La costura de soldadura de aproximadamente 0.8 a 1.0 nnti de anchura está abarcando la saliente del colector de corriente y encapsulará de este modo al colector de corriente en el termoplástico (a menos que el contexto dicte lo contrario, todos los intervalos descritos en la presente se deberán interpretar como incluyentes de sus criterios de valoración, y los intervalos abiertos se deberán interpretar como que incluyen solamente valores comercialmente prácticos. De manera similar, todas las listas de valores se deberán considerar como incluyentes de valores intermediarios a menos que el contexto indique lo contrario) . En al menos algunas modalidades, la apariencia del montaje es reminiscente de una imagen laminada con plástico. Desde luego, el posicionamiento exacto del adhesivo será dictado por la configuración particular de los armazones y sustrato. Por consiguiente, los adhesivos se pueden proporcionar en un canal u otro acceso en al menos uno de los armazones, o se aplican libremente a las porciones enfrentadas de los armazones que no están sujetas a soldadura con láser.

Mientras que numerosos adhesivos se consideran adecuados para uso en la presente, los adhesivos poliméricos especialmente adecuados incluyen resinas epoxidicas de dos componentes, y particularmente aquellos usados de costumbre por OEMs de batería de plomo y ácido para sellar los postes de batería. En un intento por reducir la movilidad de las formulaciones epoxidicas en las superficies planas, el inventor descubrió que cuando la viscosidad fue incrementada un poco, . se podrían lograr características de operación superiores. Entre otros compuestos adecuados para incrementar la viscosidad, especialmente compuestos preferidos incluyen polvo de sílice ahumada Si02 (por ejemplo, comercialmente disponible de Cabot Corporation bajo la marca registrada Cabosil M5™) . Agregando tal polvo de sílice de aproximadamente 2% a 8% en peso, y más típicamente 4% a 5% en peso de los componentes epoxídicos (por ejemplo, epoxi tipo A Atlas, comercialmente disponible de SNS Mould Chemical S. Korea) , el inventor produjo un compuesto sellador que probó ser impermeable a electrolito y derivaciones electrolíticas a través de 390 ciclos a C/2 a 80% DOD a 70% de capacidad inicial. La capacidad de unión y sellado entre el sustrato y armazón fantasma aún podría mejorar más agregando un agente de acoplamiento al adhesivo. Entre otros agentes, el inventor descubrió que el silano se desempeño excepcionalmente bien (por ejemplo, Silano de API Advanced Polymer Inc. NJ, USA) y las cantidades preferidas de los agentes de acoplamiento estuvieron entre 0.1 y 5% en peso, y muy preferiblemente entre 1 y 3% en peso.

Con respecto al sustrato, se deberá reconocer que todos los sustratos de batería de plomo y ácido bipolares conocidos se consideran adecuados para el uso en conjunto con las enseñanzas presentadas en la presente. En un aspecto preferido del tema de la invención, el sustrato es una lámina de plomo puro (es decir, al menos 99% en peso, más típicamente al menos 9.9% en peso) o lámina de aleación de plomo (por ejemplo, plomo y estaño, plomo y bismuto, plomo y calcio, etc.) que tiene un espesor igual o menor que 5 mm, más típicamente igual o menor que 2 mm, y muy típicamente igual o menor que 0.5 mm (por ejemplo, 0.2 mm, o 0.1 mm) . Alternativamente, se pueden usar sustratos conductivos o no conductivos revestidos con plomo. En este caso, es especialmente preferido que el sustrato sea un cuasi-bipolo como se describe en WO2010/019291. Muy preferiblemente, la porción no conductiva de tal sustrato bipolar es un plástico soldable con láser y el proceso de soldadura se puede usar para producir un sello impermeable. Alternativamente, los sustratos adecuados también incluyen sustrato monolítico en el cual una rejilla se electroforma en o sóida a una lámina de plomo como se describe en WO2010/135313.

Como ya se señaló anteriormente, la soldadura con láser luego se puede usar adicionalmente para unir la pila completa de bipolos conjuntamente usando una operación secuencia, iniciando con una placa de extremo negativa. Un bipolo positivo luego se coloca en la parte superior de la placa de extremo dentro de los rieles guía del dispositivo. Un cilindro de aire u otro dispositivo neumático, hidráulico, o mecánico luego acciona el accesorio de retención ascendentemente hacia una cabeza de vidrio estacionaria para presionar los componentes entre sí, después de lo cual un haz láser traza un patrón programado para soldar el perímetro completo de las salientes de plástico entre sí. Por consiguiente, un bipolo a la vez, la pila se ensambla progresivamente en el aparato de soldadura. Por ejemplo, las baterías bipolares experimentales se soldaron conjuntamente de siete componentes de batería bipolar para producir un montaje de batería de 12V como se ilustra esquemáticamente en la figura 2. El montaje se puede terminar aplicando un componente de cubierta-chaqueta para fortalecer el montaje de batería y aliviar la tensión circunferencial que surge de la presión de gas recombinante interna. Una vez más, la soldadura con láser es especialmente ventajosa para esta etapa de proceso (cubierta-chaqueta que une a los bipolos y las placas de extremo) ya que un método de plato caliente convencional generalmente no es adecuado para la soldadura de componentes planos. El montaje se termina después de unir el componente de tapa en su lugar en la parte superior de la pila. La tapa se puede unir por un plato caliente o por un adhesivo, como típicamente se practica por los fabricantes de baterías de plomo y ácido. Sin embargo, es ventajoso una vez más usar soldadura con láser ya que este proceso es mucho más fácil y menos propenso a problemas relacionados con la calidad, en comparación con los otros dos métodos conocidos.

Alternativamente, se deberá apreciar que los componentes ensamblados (particularmente después de la soldadura con láser) también se pueden encapsular en un material termoplástico usando moldes adecuados bien conocidos en el arte. Se deberá señalar que la encapsulación termoplástica originalmente se desarrolló por DuPont para encapsular componentes de motor eléctrico y bobinas eléctricas y es particularmente adecuada para producción de alto volumen. Aunque se usa ampliamente en las solicitudes mencionadas anteriormente, la encapsulación es virtualmente no conocida en la manufactura de baterías de plomo y ácido. El objeto de la encapsulación es producir una capa uniforme de termoplástico sobre los armazones bipolares y placas de extremo del BLAB, conectando y sellando así estos componentes entre sí. Un proceso completamente automatizado de montaje BLAB, por lo tanto, podría emplear una etapa de apilamiento de bipolos preensamblados con separadores en un molde adecuado. Una vez que los componentes están en su lugar, el molde se cierra y el ciclo de inyección termoplástica se inicia. Luego, el molde se abre para expulsar la batería terminada. El método de encapsulación es significativamente más rápido que la manufactura de alojamiento convencional, y en algunos casos aún más rápido que la soldadura con láser, reduciendo así adicionalmente la calidad de los componentes requeridos para el montaje final. Tal método es especialmente adecuado para baterías de tamaño menor.

La batería así ensamblada luego se llena · con electrolito y después sufre un proceso de formación. Por consiguiente, en un aspecto del tema de la invención, la formación se puede realizar "en contenedor", el cual de costumbre se hace para baterías de VRLA relativamente pequeñas. Aquí, las baterías completamente ensambladas se someten a formación mientras que los bipolos se instalan en el alojamiento. Las baterías grandes son comúnmente sometidas a formación "en tanque", donde la rejilla y materiales activos se someten a formación en un electrolizador. Sin embargo, se deberá apreciar que las baterías presentadas en la presente son adecuadas para ambos procesos.

El inventor inesperadamente descubrió que contrario a la creencia común que solamente placas pegadas, curadas, y formateadas son capaces de una buena interfaz entre la rejilla y material activo positivo (PAM), un material activo positivo cargado colocado en el sustrato de lámina de plomo también es capaz de una buena interfaz en una materia de varios ciclos de carga/descarga. De manera notable, una placa negativa cargada presenta más problemas ya que rápidamente se descargará en el aire libre. Para evitar daño a los materiales activos negativos cargados, el inventor ha desarrollado un método de montaje bajo una atmósfera protectora (por ejemplo, gas nitrógeno), que elimina completamente el problema de oxidación por aire. Alternativamente, el inventor también contempla cubrir los materiales activos negativos con un material impermeable a oxígeno que se desintegra/disuelve en la carga y/o contacto con el electrolito.

Además, el reconocimiento de la ventaja de usar placas cargadas secas, el inventor también desarrolló un método de producción y formación en tanque para placas cargadas secas. Las placas cargadas secas luego se integran fácilmente en los procesos de montaje de batería. Para producir los electrodos formados en tanque adecuados para celdas bipolares, el inventor utilizó en la rejilla fantasma una rejilla conductiva y significativamente más ligera que las placas convencionales. Se deberá señalar especialmente que las rejillas ligeras resultaron bastante aceptables, puesto que en la batería bipolar la rejilla no se tensiona mecánicamente por el peso del material de electrodo y no se requiere que tenga cables adecuadamente gruesos para corrientes eléctricas altas y corrosión de rejilla. En efecto, el inventor señaló que la rejilla fantasma solamente debe retener adecuadamente su material activo y pasas apenas suficiente corriente eléctrica para cumplir los requerimientos de formación. Los prototipos de muestra han confirmado la viabilidad de estas rejillas ligeras. Las rejillas ligeras típicamente tendrán una resistencia de cable que es al menos 10%, más típicamente al menos 25%, y muy típicamente al menos 33% menor que de una rejilla convencional y un peso total que es al menos 10%, más típicamente al menos 25%, y muy típicamente al menos 33% menor que de una rejilla convencional. Visto desde otra perspectiva, se deberá reconocer que mientras la batería de VRLA convencional tiene una relación de peso de rejilla de plomo a peso de material activo positivo de aproximadamente 0.68 ( +/- 5-10%), la rejilla fantasma de aleación de plomo con reserva de corrosión reducida sustancialmente tiene menor peso, y las relaciones en peso adecuadas pueden ser tan bajas como entre 0.60 y 0.45, más preferiblemente entre 0.45 y 0.30, y muy preferiblemente entre 0.30 y 0.20.

Se deberá apreciar especialmente que el método de producción de electrodos de batería bipolar cargada seca es altamente ventajoso ya que habilita la integración de la manufactura de placas de batería bipolar en procesos de producción existentes para baterías convencionales. La batería bipolar producida de acuerdo con el tema de la invención presentado en la presente usará hasta 52% menos plomo metálico que su contraparte convencional. Además, se deberá señalar que la aleación de Pb-Ca se puede usar para una o ambas rejillas fantasmas positiva y negativa, lo cual proporciona una ventaja económica adicional.

En todavía otro aspecto del tema de la invención, el inventor adicionalmente descubrió que las placas de batería cargada seca (materiales activos) también se pueden producir aún sin una rejilla. Más específicamente, los materiales de electrodo positivo y negativo se pueden mezclar con uno o más rellenadores estructurales para retener las características deseables. Por ejemplo, los materiales de electrodo se mezclaron con 2% de fibras de vidrio (por ejemplo, PA10-6 producido por HV) ,¦ y aglutinantes opcionalmente adicionales. De manera remarcable, las pastas de plomo así formadas no fueron diferentes de las pastas de plomo convencionales. Sin embargo, diferente de los materiales de electrodo convencionales con rejillas pegadas de plomo, las masas que contienen los rellenadores estructurales fueron apisonadas en moldes de plástico para formar placas de proporciones deseadas.

Los procesos de curado y secado entonces son preferiblemente realizados de la misma manera como los materiales convencionales. Sin embargo, es preferido usar un respaldo adecuado (por ejemplo, hecho del papel electroaislante) para reforzar las placas y facilitar su desmoldeo. La siguiente etapa es formación "en tanque" en un tanque modificado como se representa ejemplarmente en la figura 5. Aquí, para transportar la corriente eléctrica a las placas es necesario colocarlas en las bandejas hechas de aleación de plomo fundido de suficiente espesor. La corriente de formación luego se pasa vía las bandejas a las placas. Para facilitar una circulación eficiente de electrolito, las bandejas se diseñan con perforaciones adecuadas. Por la razón de conveniencia, las bandejas se colocan horizontalmente en el tanque con las bandejas de polaridad opuesta enfrentadas entre sí, sin embargo, otros arreglos también se consideran adecuados en la presente. Después de la formación, las placas de PAM y NAM se lavan y secan para obtener los componentes de material activo cargado seco de la batería bipolar. De esta manera, se pueden producir baterías de plomo y ácido bipolares con alto requerimiento de potencia y energía específica que no son susceptibles a los efectos nocivos del crecimiento de las rejillas positivas.

En todavía otro esquema de procesamiento, se contempla que la formación se puede realizar en un proceso de formación "en contenedor", donde los montajes bipolares no formados pegados y curados se instalan en los contenedores de batería. Los contenedores luego se llenan con electrolito diluido y las celdas se cargan de acuerdo con los algoritmos predeterminados para lograr la formación óptima o de otra forma deseada de las placas. Se deberá apreciar que tal formación "en contenedor" puede ser particularmente ventajosa para baterías de VRLA con capacidad relativamente pequeña (por ejemplo, entre 1 Ah y 10 Ah) . Para facilitar la producción en masa de electrodos para VRLAs presentada en la presente, las rejillas fantasmas fueron rejillas no conductivas, preferiblemente hechas de material termoplástico convencional. Tales rejillas son fácilmente formadas (por ejemplo, moldeo por inyección de plástico) y se pueden pegar de la misma manera como las rejillas de plomo convencionales que utilizan los mismos métodos y equipo de producción como se señaló anteriormente. Las placas pegadas y curadas luego se instalan en las baterías bipolares y se forman de acuerdo con los procedimientos de formación convencionales. Por consiguiente, se deberá reconocer que cualquier tipo de batería de VRLA. tal como AGM, gel o AG /gel se puede producir usando los métodos de montaje anteriores presentados en la presente, sin considerar las formas de producción de los componentes de material activo.

En la figura 6 se muestra un diagrama de flujo de producción de batería bipolar, con base en la producción típica de baterías de VRLA convencionales, que demuestra la aplicabilidad de los métodos de producción contemplados en la presente con los métodos existentes. Fácilmente será evidente para la persona de experiencia ordinaria en el arte que el proceso del diagrama de flujo no requiere operaciones complejas (tal como fundición en fleje y conexión interceldas ) , que es típico para la mayoría de los procesos de producción para baterías de plomo y ácido convencionales. Por consiguiente, las baterías bipolares de acuerdo con el tema de la invención descrito en la presente son menos costosas de producir que unas baterías de VRLA convencionales comparables .

Por lo tanto, el inventor contempla un método de manufactura de un montaje de electrodo bipolar en el cual en una etapa una lámina de plomo que tiene primer y segundo lados opuestos se posiciona entre un primer armazón no conductivo que define una primera ventana y un segundo armazón no conductivo que define una segunda ventana. En otra etapa, es preferido que un adhesivo mejorado se posicione entre la lámina de plomo y al menos uno de los primero y segundo armazones no conductivos. Muy preferiblemente, el adhesivo mejorado comprende un modificador de viscosidad y/o un agente de acoplamiento. El primer armazón luego es preferiblemente soldado al segundo armazón de modo que los primero y segundo lados de la lámina de plomo son accesibles a través de las primera y segunda ventanas, respectivamente, y una primera rejilla fantasma se acopla a un material de electrodo positivo y la primera rejilla y el material de electrodo positivo se posicionan en la primera ventana para acoplar conductivamente el material de electrodo positivo al primer lado de la lámina de plomo. En todavía otra etapa, una segunda rejilla fantasma se acopla a un material de electrodo negativo, y la segunda rejilla y el material de electrodo negativo se posicionan en la segunda ventana para acoplar conductivamente el material de electrodo negativo al segundo lado de la lámina de plomo.

Como ya se señaló anteriormente, y dependiendo del método de formación deseado particular, al menos una de las primera y segunda rejillas fantasmas es no conductiva, y los materiales activos positivo y negativo se forman de los materiales de electrodo positivo y negativo en un proceso de formación en contenedor. Alternativamente, al menos una de las primera y segunda rejillas fantasmas es conductiva, y los materiales activos positivo y negativo se forman de los materiales de electrodo positivo y negativo en un proceso de formación en tanque.

Deberá ser evidente que aquellos expertos en el arte que muchas más modificaciones además de aquellas ya descritas son posibles sin apartarse de los conceptos inventivos en la presente. El tema de la invención, por lo tanto, no será restringido excepto en el espíritu de las reivindicaciones anexas. Además, en la interpretación tanto de la especificación como las reivindicaciones, todos los términos se deberán interpretar de la manera más amplia posible consistente con el contexto. En particular, los términos "comprende" y "que comprende" se deberán interpretar como que se refieren a elementos, componentes, o etapas en una manera no incluyente, indicando que los elementos, componentes, o etapas referenciados pueden estar presentes, o utilizarse, o combinarse con otros elementos, componentes o etapas que no son referenciados expresamente. Donde las reivindicaciones de especificación se refieren a al menos uno de alguno seleccionado del grupo que consiste de A, B, C... y N, el texto se deberá interpretar como que solamente requiere un elemento del grupo, no A más N, o B más N, etc.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un Montaje de electrodo bipolar, caracterizado porque comprende: un primer armazón no conductivo que define una primera ventana, en donde el primer armazón se acopla a un segundo armazón no conductivo que define una segunda ventana; una lámina de plomo colocada y acoplada a los primero y segundo armazones de modo que los primero y segundo lados opuestos de la lámina de plomo son accesibles a través de las primera y segunda ventanas, respectivamente; en donde al menos uno de los primero y segundo armazones no conductivos adicionalmente comprende un adhesivo mejorado que comprende un modificador de viscosidad y un agente de acoplamiento, en donde el adhesivo mejorado se posiciona entre la lámina de plomo y al menos uno de los primero y segundo armazones no conductivos; una primera rejilla fantasma acoplada a un material de electrodo positivo, en donde la primera rejilla y el material de electrodo positivo se posicionan en la primera ventana y se acoplan conductivamente al primer lado de la lámina de plomo; y una segunda rejilla fantasma acoplada a un material de electrodo negativo, en donde la segunda rejilla y el material de electrodo negativo se posicionan en la segunda ventana y se acoplan conductivamente al segundo lado de la lámina de plomo.

2. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los primero y segundo armazones no conductivos se sujetan conjuntamente por una soldadura con láser .

3. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el modificador de viscosidad es un polvo de sílice ahumada, y en donde el agente de acoplamiento es un silano.

4. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la lámina de plomo es una aleación de plomo y estaño y tiene un espesor de menos de 0.2 mm.

5. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque al menos una de las primera y segunda rejillas fantasmas se manufactura de un material no conductivo .

6. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque al menos una de las primera y segunda rejillas fantasmas se manufactura de plomo o una aleación de plomo y se configura para proporcionar una reserva de corrosión de menos de 10 ciclos de carga-descarga.

7. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material de electrodo positivo es material activo positivo, y en donde el material de electrodo negativo es material activo negativo.

8. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los materiales de electrodo positivo y negativo son pasta de óxido de plomo.

9. El montaje de conformidad con la reivindicación 1 acoplado conductivamente a un montaje de polo de extremo negativo, un montaje de polo de extremo positivo, un separador, y al menos un montaje adicional de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque forma un montaje de batería bipolar.

10. El montaje de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el montaje de batería bipolar se encapsula en un polímero termoplástico .

11. Un bipolo de batería de plomo y ácido para uso en una batería de plomo y ácido regulada por válvula, caracterizado porque comprende una rejilla fantasma no conductiva acoplada a un material seleccionado del grupo que consiste de material activo positivo, material activo negativo, y pasta de óxido de plomo, y en donde una relación en peso del material activo positivo a la rejilla fantasma es igual o menor que 0.50.

12. El bipolo de batería de plomo y ácido de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el material activo positivo o el material activo negativo es material activo lavado y seco.

13. El bipolo de batería de plomo y ácido de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque una relación en peso del material activo positivo a la rejilla fantasma es igual o menor que 0.40.

14. El bipolo de batería de plomo y ácido de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque una relación en peso del material activo positivo a la rejilla fantasma es igual o menor que 0.25.

15. Una batería de plomo y ácido regulada por válvula, caracterizada porque comprende una pluralidad de rejillas fantasmas no conductivas y que tiene un contenido de plomo metálico y/o aleación de plomo metálico de igual o menor de 10 g/Ah en condición completamente descargada y un contenido de energía específica de al menos 45 Wh/kg.

16. La batería de plomo y ácido regulada por válvula de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque (a) el contenido de plomo metálico y/o aleación de plomo es igual o menor que 6.0 g/Ah, o (b) el contenido de energía específica es al menos 54 Wh/kg.

17. Un método de manufactura de un montaje de electrodo bipolar, caracterizado porque comprende: posicionar una lámina de plomo que tiene primero y segundo lados opuestos entre un primer armazón no conductivo que define una primera ventana y un segundo armazón no conductivo que define una segunda ventana; posicionar un adhesivo mejorado entre la lámina de plomo y al menos uno de los primero y segundo armazones no conductivos, en donde el adhesivo mejorado comprende un modificador de viscosidad y un agente de acoplamiento; soldar con láser o soldar con ultrasonido el primer armazón al segundo armazón de modo que los primero y segundo lados de la lámina de plomo son accesibles a través de las primera y segunda ventanas, respectivamente; acoplar una primera rejilla fantasma a un material de electrodo positivo, y posicionar la primera rejilla y el material de electrodo positivo en la primera ventana para acoplar conductivamente el material de electrodo positivo al primer lado de la lámina de plomo; y acoplar una segunda rejilla fantasma a un material de electrodo negativo, y posicionar la segunda rejilla y el material de electrodo negativo en la segunda ventana para acoplar conductivamente el material de electrodo negativo al segundo lado de la lámina de plomo.

18. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque al menos una de las primera y segunda rejillas fantasmas es no conductiva, y en donde los materiales activos positivo y negativo se forman de los materiales de electrodo positivo y negativo en un proceso de formación en contenedor.

19. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque la etapa de acoplar la primera rejilla fantasma al material de electrodo positivo se realiza pegando el material de electrodo positivo sobre la primera rejilla fantasma.

20. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el modificador de viscosidad es un polvo de sílice ahumada, y en donde el agente de acoplamiento es un silano.