BRPI0703410B1 - placa para bateria bipolar e bateria bipolar - Google Patents

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Janólio Gilberto
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Abstract

placa para bateria bipolar e bateria bipolar. a presente invenção refere-se a uma placa (20), particularmente para bateria bipolar (10), a placa (20) sendo do tipo que compreende um material base (2) em grafite, material ativo positivo (3) aplicado a uma primeira superfície (4) do material base (2) e material ativo negativo (5) aplicado a uma segunda superfície (6) do material base (2), oposta à primeira superfície (4), o material ativo positivo (3) apresentando uma composição que compreende dióxido de chumbo, fibras de carbono condutivas e microesferas de vidro e o material ativo negativo (5) apresentando uma composição que compreende chumbo esponjoso, aditivos de grafite e microesferas de vidro. descreve-se, ainda, uma bateria bipolar (10) formada por uma pluralidade de placas (20), cada placa (20) compreendendo material base (2) em grafite, material ativo positivo (3) aplicado a uma primeira superfície (4) do material base (2) e material ativo negativo (5) aplicado a uma segunda superfície (6) do material base (2), oposta à primeira superfície (4), o material ativo positivo (3) da pluralidade de placas (20) apresentando uma composição compreendendo dióxido de chumbo, fibras de carbono conduti- vas e microesferas de vidro e o material ativo negativo (5) da pluralidade de placas (20) apresentando uma composição compreendendo chumbo esponjoso, aditivos de grafite e microesferas de vidro.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PLACA PARA BATERÍA bipolar E BATERÍA BIPOLAR". A presente invenção refere-se às placas que são particularmente usadas em baterias bipolares, estas placas compreendem material base de materiais compósitos que envolvem um núcleo em grafite e recebem camadas significativas de matérias ativos positivo e negativo, os quais compreendem aditivos capazes de aumentar a área superficial de reação. Esta invenção faz referência, ainda, a batería bipolar formada por uma pluralidade destas placas e que apresenta um maior rendimento em relação às baterias similares já conhecidas do estado da técnica.
Descrição do estado da técnica Nas baterias bipolares, as placas distribuidoras são dispostas paralelas e consecutivamente entre si formando células que são empilhadas em pilhas, em construção do tipo "sanduíche", de modo que uma mesma placa possui uma face negativa que interage com a face positiva da placa imediatamente anterior e sua face oposta positiva que interage com a face negativa da placa imediatamente posterior. Estas placas também são conhecidas como eletrodos duplos, uma vez que um lado ou face do eletrodo atua como ânodo em uma célula e o lado oposto ou face oposta deste mesmo eletrodo atua como cátodo na célula seguinte. As faces anódicas e catódicas são separadas por um condutor eletrônico.
Por batería chumbo-ácido entende-se uma bateria que pode ser bipolar ou não, que compreende um ânodo e um cátodo compreendendo materiais ativos derivados do chumbo e dispostos em um eletrólito que consiste em uma solução de ácido sulfúrico. A placa positiva ou ânodo compreende óxido de chumbo (PbO) como matéria ativa e quando carregada eletricamente, transforma o óxido de chumbo em dióxido de chumbo (PbC>2). Via de regra essa matéria ativa é fixada em uma grade metálica de chumbo-liga. A placa negativa ou cátodo compreende, como matéria ativa, o óxido de chumbo (PbO) e um agente expansor, transformando o óxido de chumbo em chumbo esponjoso (Pb). Essa matéria ativa também é fixada em uma grade metálica de chumbo-liga.
As placas da batería chumbo-ácido são separadas por material poroso que atua como separador, fabricado em um material isolante eletronicamente, de baixa resistência ôhmica, microporoso e de boa condutância iônica quando preenchido com ácido. A finalidade deste separador é reduzir ao mínimo a resistência interna dos elementos e a distância entre as placas, visto que são posicionados entre as placas (ânodo e cátodo) evitando o contato direto, além de não permitir curto-circuito, ao mesmo tempo em que mantém um espaço mínimo entre as placas. A solução eletrolítica na qual são mergulhadas as placas consiste em uma solução de ácido sulfúrico diluída em água destilada ou desmineralizada.
Baterias de chumbo-ácido bipolares já são conhecidas do estado da técnica e muito tem-se estudado sobre as placas ou eletrodos que as compõem, com o objetivo de obtê-los de forma mais econômica, com menor uso de chumbo, mais leve e ao mesmo tempo apresentando maior densidade de energia e vida útil às baterias.
Exemplificando a matéria descrita acima temos o documento PI 8305957 e o documento PI 8305961 que revelam baterias do tipo chumbo-ácido, compreendendo placas positivas e negativas dispostas em pilhas, alternadas e intercaladas por um material separador. Os elementos de eletrodos que compõem essa bateria são formados por grades espaçadas, contínuas e em chumbo ou liga de chumbo, que recebem material ativo positivo e negativo. Esses eletrodos consistem em placas finas de chumbo que são sobrepostas de modo a formar uma estrutura laminada. Neste caso, as placas ainda são feitas de chumbo puro, muito embora sejam formadas por múltiplas lâminas de chumbo, o que não diminui o peso da placa e o custo de fabricação da bateria.
Modificando a composição das placas ou eletrodos, o documento US 5.532.083 descreve eletrodos de baterias feitos em material poliméri-co contendo múltiplas fibras de carbono orientadas. O objetivo deste tipo de construção de eletrodos é obter maior flexibilidade. O documento US 5.643.696 refere-se a placas de bateria com núcleo mais leve para serem usadas em baterias bipolares do tipo chumbo- ácido. Neste caso, o núcleo das placas é feito preferencialmente em alumínio, podendo também ser usado: titânio; aço; liga de aço; magnésio ou zinco. O núcleo é então revestido por materiais ativos negativos e positivos, como nas demais baterias deste tipo. O objetivo neste caso é diminuir o peso da placa por meio de um núcleo feito de material mais leve, no entanto, observa-se um baixo rendimento dos materiais ativos aplicado às placas. O documento US 2004/0072074 também descreve eletrodos usados em baterias bipolares do tipo chumbo-ácido, sendo que estes eletrodos são feitos em uma matriz polimérica, sem poros, e algumas das superfícies desta matriz são recobertas com materiais ativos positivo e negativo. O objetivo neste caso é conseguir eletrodos muito finos sem a ocorrência de oxidação.
No documento US 4.275.130 é descrita a construção de uma batería bipolar. As placas são dispostas paralelas e comprimidas formando uma pilha e o objetivo desta invenção é obter placas finas e mais leves de materiais resistentes, adequadas à condutividades necessária e resistentes à corrosão. Para tanto, é descrita a composição de placas contendo resina como substrato principal e no qual são adicionadas fibras condutivas de grafite, preferencialmente na proporção de 50% em peso. Sobre esse substrato são aplicados materiais ativos positivo (Pb02) e negativo (Pb).
Ainda continuando o desenvolvimento de placas ou eletrodos mais leves e resistentes, o documento US 7.105.252 revela eletrodos que são recobertos com uma fina camada de filme de carbono antes da aplicação do material ativo. A função do filme de carbono é diminuir a corrosão. Já os documentos WO 2005/096418 e WO 2006/105188, do mesmo titular do documento anterior, referem-se à baterias bipolares contendo eletrodos formados por um substrato de material polimérico com partículas condutoras que podem ser fibras de carbono. O documento EP 1 506 585 faz referência a placas de baterias bipolares fabricadas com reforço de fibra de carbono no material termoplás-tico. A base destas placas é feita de grafite e termoplástico com o mesmo objetivo de conseguir placas mais leves e resistentes.
Embora os documentos do estado da técnica acima comentados representem desenvolvimentos, alguns significativos, na construção das placas ou eletrodos que compõem baterias bipolares do tipo chumbo-ácido, todas as baterias descritas nestes documentos são para uso em alta corrente de descarga, isto é, potência muito alta para períodos de funcionamento muito curtos e com picos de descarga nas partidas. Estas características limitam o desempenho destas baterias e quando se precisa de correntes de descarga muito baixas, ou seja, baixa potência.
Objetivos da invenção A presente invenção tem como objetivo prover placas ou eletrodos para bateria bipolar, sendo estas placas ou eletrodos compreendendo materiais ativos positivo e negativo com adição de aditivos para aumentar a condutividade e conseqüentemente a área superficial de reação e aumentar, também, o rendimento de reação destes materiais ativos. É também objetivo desta invenção prover uma bateria bipolar formada pelas placas ou eletrodos, que eliminam as tradicionais grades de chumbo, dotados de materiais ativos, positivo e negativo, com participação de aditivos, proporcionando capacidades e densidades de energia maiores, da ordem de 60 Wh/kg em longas descargas, em comparação com baterias tradicionais que possuem densidades energéticas da ordem de 38 Wh/kg, o que é uma característica essencial para aplicação em sistemas sola-res/fotovoltaicos.
Breve descrição da invenção A invenção tem por objeto uma placa 20, particularmente para a bateria bipolar 10, a placa 20 sendo do tipo que compreende um material base 2, um material ativo positivo 3 aplicado a uma primeira superfície 4 do material base 2 e um material negativo 5 aplicado a uma segunda superfície 6 do material base 2 oposta à primeira superfície 4, o material base 2 contendo grafite em sua constituição, o material ativo positivo 3 contendo dióxido de chumbo, fibras de carbono e microesferas de vidro em sua composição e o material negativo 5 contendo chumbo esponjoso, aditivos de grafite e microesferas de vidro em sua composição. É ainda objeto desta invenção uma bateria bipolar 10 formada por uma pluralidade de placas 20, cada placa 20 compreendendo material base 2, material ativo positivo 3 aplicado a uma primeira superfície 4 do material base 2 e material ativo negativo 5 aplicado a uma segunda superfície 6 do material base 2, oposta à primeira superfície 4, o material base da placa 20 da bateria bipolar 10 contendo grafite em sua constituição, o material ativo positivo 3 contendo dióxido de chumbo, fibras de carbono e microesferas de vidro e o material ativo negativo 5 contendo chumbo esponjoso, aditivos de grafite e microesferas de vidro em sua composição.
Descrição resumida das figuras A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram: figura 1 - é uma vista lateral de uma bateria bipolar 10 objeto desta invenção; figura 2 - é uma vista em detalhe e em corte das placas 20 ou eletrodos para bateria bipolar 10, objetos desta invenção.
Descrição detalhada das figuras De acordo com uma concretização preferencial e como pode ser visto na figura 2, a placa 20 objeto da presente invenção é usada particularmente em bateria bipolar 10 tal como ilustrada na figura 1, Para tanto, a placa 20 compreende um material base 2 que constitui uma composição de compósito base formado por carga de grafite e aditivos. A carga de grafite é formada por partículas redondas finas, na dimensão de 5 a 7 pm, e partículas redondas e grossas, na dimensão de 70 a 80 pm. As partículas redondas finas estão presentes na quantidade equivalente a 30% do total da carga de grafite, sendo o restante formado por grafite de partículas redondas e grossas. É importante ressaltar que deve ser sempre mantida uma proporção de 1:10 a 1:15 em tamanho. Além do grafite e dos aditivos, o material base 2 recebe, ainda, nanotubos de carbono em quantidade variando de 0,3 a 11% em peso. Essa adição de nanotubos de carbono permite aumentar e uniformizar de forma surpreendente a resistência mecânica e a condutividade elé- trica. Este material base é objeto do documento de patente PI 0604768-8 depositado em 06.11.2006 e todas as suas características serão aqui referenciadas e incorporadas. A composição do material base 2 permitem a obtenção de placas 20 leves, de material eletronicamente condutor e bastante resistente à corrosão, fator importante uma vez que as placas 20 são mergulhadas em solução eletrolítica ácida.
Este material base 2 recebe um revestimento de chumbo ou chumbo liga 15 que pode ser realizado através de processos de justaposição, injeção ou deposição. Quando o processo de revestimento do material base 2 com chumbo ou chumbo liga é realizado através de processo de justaposição ou injeção as camadas de chumbo ou chumbo liga devem ter no mínimo 50 micrômetros de espessura e no máximo 500 micrômetros de espessura. Quando o processo de revestimento do material base 2 com chumbo ou chumbo liga é realizado através de processo de deposição, as camadas de chumbo ou chumbo liga devem ter no mínimo 40 micrômetros de espessura do lado negativo e, no máximo, 300 micrômetros de espessura no lado positivo.
No material base 2, sobre uma primeira superfície 4 da placa 20 é aplicado um material ativo positivo 3 que compreende uma composição de dióxido de chumbo (Pb02), fibras de carbono condutivas e microesferas de vidro. Ainda, no material base 2, sobre uma segunda superfície 6 da placa 20, é aplicado um material ativo negativo 5 que compreende uma composição de chumbo esponjoso (Pb), aditivos de grafite e microesferas de vidro. A segunda superfície 6 é oposta à primeira superfície 4 em uma mesma placa 20. O material ativo positivo 3 e o material ativo negativo 5 compreendem espessuras variando entre 3 e 15 mm.
As microesferas de vidro representam um aditivo que é adicionado à composição do material ativo positivo 3 e do material ativo negativo 5, com a função de manter aberto os poros dos materiais da composição destes materiais ativos positivo 3 e negativo 5 . Desta forma, em conjunto com outros aditivos, aumenta-se a condutividade e, consequentemente, a reação destes materiais ativos na solução eíetrolítica, resultando em aumento de rendimento da batería bipolar formada pelas placas 20 de 40% (descrito na literatura) para 60%. A bateria bipolar 10, também objeto da presente invenção, é formada por uma pluralidade de placas 20 com as características definidas anteriormente e posicionadas paralelamente e consecutivamente entre si, separadas por uma membrana separadora usual.
As placas 20 compreendem as características anteriormente descritas e permitem o aumento de 40% (descrito na literatura) para 60% no rendimento da bateria bipolar, em razão do aumento da condutividade e superfície de reação dos materiais ativos positivo 3 e negativo 5, conforme já comentado.
Estas placas 20 são mergulhadas em um eletrólito formado por ácido sulfúrico diluído na faixa de d=1250 a 1310 g/cm3. É preciso ressaltar que as baterias bipolares conhecidas do estado da técnica são, via de regra, baterias de alta corrente de descarga, ou seja, potência muito alta para um período curto de funcionamento, chamado de partida. No caso das baterias bipolares já conhecidas, elas trabalham em picos de potência e corrente. A bateria bipolar 10, objeto desta invenção, compreende uma construção apropriada para o seu uso em sistemas fotovoltaicos, o que significa que a sua melhor performance é com a corrente de descarga muito baixa. Com isso obtém-se potência baixa e constante, sem picos de partida, caracterizando uma bateria estacionária. Na bateria bipolar 10, as placas (20) são dispostas paralelamente e consecutivamente entre si e compactadas de modo a formarem pilhas, em construção do tipo ‘'sanduíche", de modo que uma mesma placa possui uma face negativa que interage com a face positiva da placa imediatamente anterior e sua face oposta positiva que interage com a face negativa da placa imediatamente posterior.
Completando a construção da bateria bipolar 10, temos uma manta de fibras 7 denominada AGM (Absorbent glass mat) cuja função é proporcionar a isolação entre os materiais ativos positivo 3 e negativo 5, bem como armazenar ácido sulfúrico diluído do eletrólito e conduzir oxigênio proveniente da placa positiva para a placa negativa. Uma junta de vedação na forma de O-ring (não mostrada) também é posicionada junto à segunda superfície 6 da placa 20, com a finalidade de isolar as placas 20 e vedar a saída da mistura oxigênio e hidrogênio gerado internamente na piaca e nos materiais ativos positivo 3 e negativo 5. São adicionados à placa 20 dois quadros de plástico 1A e 1B, sendo que o quadro 1A é fixado na primeira superfície 4 e o quadro 1B na segunda superfície 6 da placa 20. O quadro 1A na superfície superior apresenta dois orifícios, sendo um para a válvula de alívio 13 e outro 14 para facilitar o processo de enchimento com eletrólito, o qual, após completar-se o processo de ativação, será fechado.
Também é adicionado ao material base 2, na primeira superfície 4 e segunda superfície 6, um revestimento de chumbo ou chumbo liga. A bateria bipolar 10, conforme ilustrada na figura 1, apresenta terminais elétricos 11 e 12 que consistem nos pólos positivo e negativo desta bateria 10, e válvula de alívio 13 que consiste em um dispositivo de pressão interna da bateria 10. A bateria 10 compreende, preferencialmente, uma válvula de alívio 13 para cada placa 20, garantindo maior segurança.
REIVINDICAÇÕES

Claims (11)

1. Placa (20), particularmente para uma bateria bipolar (10), a placa (20) sendo do tipo que compreende um material base (2), material ativo positivo (3) aplicado a uma primeira superfície (4) do material base (2) e material negativo (5) aplicado a uma segunda superfície (6) do material base (2) oposta à primeira superfície (4), a placa (20) sendo caracterizada pelo fato de que o material base (2) compreende grafite em sua constituição, o material ativo positivo (3) compreende dióxido de chumbo, fibras de carbono e microesferas de vidro em sua composição e o material negativo (5) compreende chumbo esponjoso, aditivos de grafite e microesferas de vidro em sua composição, o material base (2) sendo revestido com chumbo ou chumbo liga, o material ativo positivo (3) e o material ativo negativo (5) apresentando espessuras variando entre 3 e 15 mm.
2. Placa (20) de acordo com reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o revestimento de chumbo ou chumbo liga ocorre através de processo de justaposição ou injeção.
3. Placa (20) de acordo com reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o revestimento de chumbo ou chumbo liga apresenta uma espessura mínima de 50 micrômetros e uma espessura máxima de 500 micrômetros.
4. Placa (20) de acordo com reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o revestimento de chumbo ou chumbo liga ocorre através de processo deposição.
5. Placa (20) de acordo com reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o revestimento de chumbo ou chumbo liga apresenta uma espessura mínima de 40 micrômetros do lado negativo e uma espessura máxima de 300 micrômetros do lado positivo.
6. Bateria bipolar (10) formada por uma pluralidade de placas (20), cada placa (20) sendo do tipo que compreende um material base (2), material ativo positivo (3) aplicado a uma primeira superfície (4) do material base (2) e material negativo (5) aplicado a uma segunda superfície (6) do material base (2) oposta à primeira superfície (4), a placa (20) sendo caracterizada pelo fato de que o material base (2) compreende grafite em sua constituição, o material ativo positivo (3) compreende dióxido de chumbo, fibras de carbono e microesferas de vidro em sua composição e o material negativo (5) compreende chumbo esponjoso, aditivos de grafite e microesferas de vidro em sua composição, o material base (2) sendo revestido com chumbo ou chumbo liga, o material ativo positivo (3) e o material ativo negativo (5) apresentando espessuras variando entre 3 e 15 mm.
7. Batería bipolar, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o revestimento de chumbo ou chumbo liga ocorre através de processo de justaposição ou injeção.
8. Batería bipolar, de acordo com reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o revestimento de chumbo ou chumbo liga apresenta uma espessura mínima de 50 micrômetros e uma espessura máxima de 500 micrômetros.
9. Batería bipolar, de acordo com reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o revestimento de chumbo ou chumbo liga ocorre através de processo deposição.
10. Batería bipolar, de acordo com reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o revestimento de chumbo ou chumbo liga apresenta uma espessura mínima de 40 micrômetros do lado negativo e uma espessura máxima de 300 micrômetros do lado positivo.
11. Batería bipolar, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que as placas (20) são dispostas paralelamente e consecutivamente entre si e compactadas de modo a formarem pilhas.
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