Introducción
Existen principalmente dos tipos de baterías de almacenamiento de plomo-ácido, diferenciadas por su método de construcción: inundadas (ventiladas) y selladas. Estas baterías también varían en su funcionamiento. Todas las baterías de plomo-ácido generan gas de hidrógeno y oxígeno durante la carga mediante un proceso llamado electrólisis. En las celdas inundadas, estos gases se liberan al exterior, mientras que en las celdas selladas se retienen y recombinan. Es importante destacar que el gas de hidrógeno es explosivo en el aire a solo un 4% en volumen. A continuación, se describen las baterías de plomo-ácido inundadas y selladas.
Baterías de Plomo-Ácido Inundadas
Celdas inundadas son aquellas donde los electrodos/placas están sumergidos en electrolito. Debido a que los gases generados durante la carga se ventilan al ambiente, es necesario agregar agua destilada periódicamente para mantener el nivel adecuado del electrolito. El ejemplo más común de una celda de plomo-ácido inundada es la batería de automóvil de 12 V.
Batería de Plomo-Ácido de Automóvil Inundada
Baterías de Plomo-Ácido Selladas
Estas baterías contienen el electrolito, pero están equipadas con un ventilador o válvula para permitir la liberación de gases si la presión interna supera un cierto límite. Durante la carga, una batería de plomo-ácido genera gas de oxígeno en el electrodo positivo.
Las baterías de plomo-ácido selladas están diseñadas para capturar y recombinar el oxígeno generado durante la carga. Este proceso se denomina ciclo de recombinación de oxígeno y es efectivo siempre que la tasa de carga no sea excesiva. Una tasa de carga demasiado alta puede provocar la ruptura del contenedor, fuga térmica o daños mecánicos internos.
La batería regulada por válvula es el tipo más común de batería sellada. Fue desarrollada para aplicaciones estacionarias y de telecomunicaciones. Estas baterías selladas cuentan con una válvula controlada por resorte que libera gases a una presión predeterminada. Los umbrales de presión típicos son de 2 a 5 psig, dependiendo del diseño de la batería. Aunque el término "regulada por válvula" se utiliza a menudo para describir baterías de plomo-ácido selladas, no todas las baterías selladas están reguladas por válvula. Algunos diseños de baterías emplean tapones de ventilación reemplazables u otros mecanismos para aliviar el exceso de presión. Las baterías selladas se desarrollaron para reducir el mantenimiento requerido en servicio activo. Dado que los niveles de electrolito se preservan atrapando y recombinando los gases, no debería ser necesario agregar agua destilada durante la vida útil de la batería. Estas baterías a menudo se denominan erróneamente "libres de mantenimiento”. De hecho, todas las prácticas de mantenimiento aplicables a las baterías no selladas son aplicables a las baterías selladas, excepto que los niveles de electrolito no pueden, ni deben, ser mantenidos.
Las baterías de tipo sellado a menudo se evitan para aplicaciones de fuente de energía de respaldo por varias razones. Una razón es que el estado de carga de las baterías de tipo sellado no puede determinarse mediante la medición habitual de gravedad específica. Se están desarrollando métodos alternativos confiables para medir el estado de carga de las baterías de tipo sellado. Otra razón es su sensibilidad a altas temperaturas.
Componentes y Operación de la Batería
Celdas vs. Baterías
Una batería es un dispositivo que convierte la energía química contenida en sus materiales activos en energía eléctrica mediante una reacción electroquímica. Aunque a menudo se usa el término "batería", el elemento electroquímico básico al que se hace referencia es la celda. Una batería consta de dos o más celdas conectadas eléctricamente en serie para formar una unidad. En el uso común, los términos "batería" y "celda" se usan indistintamente.
Celdas y Baterías Primarias y Secundarias
Las baterías son primarias o secundarias. Las baterías primarias solo pueden usarse una vez porque las reacciones químicas que suministran la corriente eléctrica son irreversibles. Las baterías secundarias (o de almacenamiento) pueden usarse, cargarse y reutilizarse. En estas baterías, las reacciones químicas que suministran corriente eléctrica se revierten fácilmente para que la batería se cargue.
Las baterías primarias son comunes ya que son económicas y fáciles de usar. Los usos familiares de baterías primarias son en linternas, relojes, juguetes y radios. El uso más común para baterías secundarias (de almacenamiento) es para arranque, iluminación e ignición (SLI) en automóviles y conjuntos de generadores de motores. Otras aplicaciones incluyen fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) para energía de emergencia y respaldo, vehículos eléctricos (tracción), telecomunicaciones y herramientas portátiles. El resto de este artículo se centrará solo en baterías de almacenamiento, excepto donde se discutan características generales de operación de las baterías.
Componentes de la Batería
Una celda tiene cinco componentes principales como se muestra en la imagen a continuación.
Componentes Principales de una Celda
El electrodo negativo suministra electrones al circuito externo (o carga) durante la descarga. En una batería de almacenamiento de plomo-ácido completamente cargada, el electrodo negativo está compuesto de plomo esponjoso (Pb).
El electrodo positivo acepta electrones de la carga durante la descarga. En una batería de plomo-ácido completamente cargada, el electrodo positivo está compuesto de dióxido de plomo (PbO2). Cabe señalar que los electrodos en una batería deben ser de materiales disímiles, o la celda no podrá desarrollar un potencial eléctrico y, por lo tanto, conducir corriente eléctrica.
El electrolito completa el circuito interno en la batería suministrando iones a los electrodos positivo y negativo. El ácido sulfúrico diluido (H2SO4) es el electrolito en las baterías de plomo-ácido. En una batería de plomo-ácido completamente cargada, el electrolito es aproximadamente 25% ácido sulfúrico y 75% agua.
El separador se utiliza para aislar eléctricamente los electrodos positivo y negativo. Si se permite que los electrodos entren en contacto, la celda se cortocircuitará y se volverá inútil porque ambos electrodos estarían al mismo potencial. El tipo de separador utilizado varía según el tipo de celda. Los materiales utilizados como separadores deben permitir la transferencia de iones entre el electrolito y los electrodos. Muchos separadores están hechos de un material plástico poroso o de fibra de vidrio.
Los componentes anteriores están alojados en un contenedor comúnmente llamado jarra o contenedor.
Voltaje de la Celda y la Batería
Para que una celda o batería pueda entregar corriente eléctrica a un circuito externo, debe existir una diferencia de potencial entre los electrodos positivo y negativo. La diferencia de potencial (generalmente medida en voltios) se conoce comúnmente como el voltaje de la celda o batería. Una sola celda de plomo-ácido puede desarrollar una diferencia de potencial máxima de aproximadamente 2 V bajo carga. Una celda de plomo-ácido completamente descargada tiene una diferencia de potencial de aproximadamente 1.75 V, dependiendo de la tasa de descarga.
Capacidad y Calificaciones de la Batería
En términos generales, la capacidad de una celda/batería es la cantidad de carga disponible expresada en amperios-hora (Ah). Un amperio es la unidad de medida utilizada para la corriente eléctrica y se define como un culombio de carga que pasa a través de un conductor eléctrico en un segundo. La capacidad de una celda o batería está relacionada con la cantidad de materiales activos en ella, y la cantidad de electrolito y el área de superficie de las placas. La capacidad de una batería/celda se mide descargando a una corriente constante hasta que alcanza su voltaje terminal (generalmente alrededor de 1.75 voltios). Esto generalmente se hace a una temperatura constante, bajo condiciones estándar de 25ºC (77ºF). La capacidad se calcula multiplicando el valor de la corriente de descarga por el tiempo requerido para alcanzar el voltaje terminal.
El término más común utilizado para describir la capacidad de una batería para entregar corriente es su capacidad nominal. Los fabricantes frecuentemente especifican la capacidad nominal de sus baterías en amperios-hora a una tasa de descarga específica. Por ejemplo, esto significa que una batería de plomo-ácido con una capacidad nominal de 200 Ah (para una tasa de 10 horas) entregará 20 amperios de corriente durante 10 horas bajo condiciones de temperatura estándar (25ºC o 77ºF). Alternativamente, una tasa de descarga puede especificarse por su tasa de carga o tasa C, que se expresa como un múltiplo de la capacidad nominal de la celda o batería. Por ejemplo, una batería puede tener una calificación de 200 Ah a una tasa de descarga C/10. La tasa de descarga se determina mediante la ecuación a continuación:
Tasa C/10 (amperios)= 200 Ah/10 h = 20 amperios
La capacidad de la batería varía con la tasa de descarga. Cuanto mayor sea la tasa de descarga, menor será la capacidad de la celda. Las tasas de descarga más bajas resultan en una mayor capacidad. La literatura del fabricante sobre baterías normalmente especificará varias tasas de descarga (en amperios) junto con el tiempo de descarga asociado (en horas). La capacidad de la batería para cada una de estas diversas tasas de descarga puede calcularse como se discutió anteriormente.
La capacidad nominal para las baterías de plomo-ácido generalmente se especifica en las tasas de 8, 10 o 20 horas (C/8, C/10, C/20). Las baterías UPS están calificadas a capacidades de 8 horas y las baterías de telecomunicaciones están calificadas a capacidades de 10 horas.
Conexiones en Serie y Paralelo
Las celdas y baterías pueden conectarse en serie, paralelo o combinaciones de ambos. Las celdas o baterías conectadas en serie tienen el terminal positivo de una celda o batería conectado al terminal negativo de otra celda o batería. Esto tiene el efecto de aumentar el voltaje total, pero la capacidad total permanece igual. Por ejemplo, la batería de automóvil de plomo-ácido de 12 V contiene 6 celdas conectadas en serie, cada una con una diferencia de potencial de aproximadamente 2 V. Otro ejemplo de celdas o baterías conectadas en serie se muestra en la imagen a continuación.
Las celdas o baterías conectadas en paralelo tienen sus terminales similares conectados entre sí. El voltaje total permanece igual, pero la capacidad se incrementa. Por ejemplo, si dos baterías automotrices de 12 V se conectaran en paralelo, el voltaje total de las baterías seguiría siendo de 12 V. Sin embargo, las baterías conectadas tendrían el doble de la capacidad de una sola batería de 12 V. Otro ejemplo de celdas o baterías conectadas en paralelo se muestra en la imagen a continuación.
Celdas Conectadas en Serie
Celdas Conectadas en Paralelo
Las baterías también pueden conectarse en una combinación serie/paralelo. Las baterías se agregan en serie hasta que se obtiene el voltaje deseado, y en paralelo hasta que el banco de baterías cumple con los requisitos de capacidad. Solo deben conectarse celdas o baterías similares. Conectar celdas o baterías de diferentes calificaciones o fabricantes puede producir resultados indeseables o incluso peligrosos.
Cómo Funcionan las Baterías de Plomo-Ácido
Recursos Adicionales
https://electrical4u.com/zinc-carbon-battery
https://britannica.com/technology/battery-electronics/Lithium-batteries
https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries