Introducción
Existen varios tipos de baterías de plomo ácido, entre ellas se incluyen celda de gel, matriz de vidrio absorbido (AGM) e inundadas. La batería de plomo ácido original data de 1859 y aunque ha sido considerablemente modernizada desde entonces, la teoría sigue siendo la misma. Las baterías de matriz de vidrio absorbido y las de celda de gel a menudo se agrupan como baterías de plomo ácido reguladas por válvula (VRLA).
Las baterías de plomo ácido no tienen grandes propiedades de energía a peso o energía a volumen, pero siguen en uso porque son económicas de fabricar y tienen excelentes propiedades de potencia a peso. Las baterías de plomo ácido se emplean extensamente en la industria automotriz porque son capaces de descargar una gran cantidad de corriente en un corto período de tiempo; esto es precisamente lo que se requiere para poner en marcha un motor de combustión interna (IC) estático (diésel o gasolina, etc.).
Se estima que entre el 40-60% del peso de una batería de plomo ácido promedio se atribuye directamente a las placas de plomo (por eso la batería es tan pesada).
Cómo Funcionan las Baterías de Plomo Ácido
Las placas de plomo están suspendidas en un electrolito (solución de agua y ácido sulfúrico) dentro de una carcasa de batería de plástico. Las placas positivas y negativas se crean con recubrimientos disímiles para que la corriente fluya entre ellas. A medida que la corriente fluye entre las placas debido a la reacción química, se forma sulfato de plomo en ambas placas, positiva y negativa (el sulfato de plomo aparece como un recubrimiento amarillo). A medida que el sulfato de plomo aumenta, el voltaje comienza a disminuir. El sulfato de plomo se cristalizará sobre las placas si no se conecta inmediatamente un cargador de batería y se aplica una corriente de carga.
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Tipos de Baterías de Plomo-Ácido
En general, hay dos tipos de baterías de almacenamiento de plomo-ácido, basadas en su método de construcción. Estas baterías se llaman inundadas (o ventiladas) o selladas. Las baterías inundadas y selladas también difieren en su operación. Todas las baterías de plomo-ácido producen gas hidrógeno y oxígeno (gaseado) en los electrodos durante la carga a través de un proceso llamado electrólisis. Estos gases se permiten escapar de una celda inundada, sin embargo, la celda sellada está construida para que los gases se contengan y recombinen. Cabe señalar que el gas hidrógeno es explosivo en el aire a solo un 4% en volumen. Las baterías de plomo-ácido inundadas y selladas se discuten en los siguientes párrafos.
Baterías de Plomo-Ácido Inundadas
Las celdas inundadas son aquellas donde los electrodos/placas están sumergidos en electrolito. Dado que los gases creados durante la carga se ventilan a la atmósfera, se debe agregar agua destilada ocasionalmente para llevar el electrolito a su nivel requerido. El ejemplo más familiar de una celda de plomo-ácido inundada es la batería de automóvil de 12 V.
Baterías de Plomo-Ácido Selladas
Estos tipos de baterías confinan el electrolito, pero tienen un respiradero o válvula para permitir que los gases escapen si la presión interna excede un cierto umbral. Durante la carga, una batería de plomo-ácido genera gas oxígeno en el electrodo positivo.
Las baterías de plomo-ácido selladas están diseñadas para que el oxígeno generado durante la carga se capture y recombine en la batería. Esto se llama un ciclo de recombinación de oxígeno y funciona bien siempre que la tasa de carga no sea demasiado alta. Una tasa de carga demasiado alta puede resultar en la ruptura del caso, fuga térmica o daño mecánico interno.
La batería regulada por válvula es el tipo más común de batería sellada. Fue desarrollada para aplicaciones de baterías estacionarias y de telecomunicaciones. Estos tipos de baterías selladas tienen una válvula controlada por resorte que ventila 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 usa a menudo como sinónimo 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 para baterías en servicio activo. Dado que los niveles de electrolito se preservan atrapando y recombinando los gases, no debería haber necesidad de agregar agua destilada durante la vida útil de la batería. Estas baterías a menudo se llaman erróneamente "libres de mantenimiento". De hecho, todas las prácticas de mantenimiento aplicables a las baterías no selladas son aplicables a las baterías selladas. La única excepción es que los niveles de electrolito no pueden, y no deberían necesitar 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. Una segunda razón es su sensibilidad a altas temperaturas.
Operación y Construcción
Los siguientes párrafos describen la operación general y la construcción de las baterías de plomo-ácido.
Materiales Activos de la Batería de Plomo-Ácido
Los materiales activos en una batería son aquellos que participan en la reacción electroquímica de carga/descarga. Estos materiales incluyen el electrolito y los electrodos positivos y negativos. Como se mencionó anteriormente, el electrolito en una batería de plomo-ácido es una solución diluida de ácido sulfúrico (H2SO4). El electrodo negativo de una batería completamente cargada está compuesto de plomo esponjoso (Pb) y el electrodo positivo está compuesto de dióxido de plomo (PbO2).
Electroquímica de la Celda de Plomo-Ácido
Todas las baterías de plomo-ácido operan en las mismas reacciones fundamentales. A medida que la batería se descarga, los materiales activos en los electrodos (dióxido de plomo en el electrodo positivo y plomo esponjoso en el electrodo negativo) reaccionan con el ácido sulfúrico en el electrolito para formar sulfato de plomo y agua. Al recargar, el sulfato de plomo en ambos electrodos se convierte de nuevo en dióxido de plomo (positivo) y plomo esponjoso (negativo), y los iones de sulfato (SO42-) son devueltos a la solución de electrolito para formar ácido sulfúrico. Las reacciones involucradas en la celda siguen.
En el electrodo positivo
En el electrodo negativo
Para la celda en general
Por lo tanto, el voltaje máximo de circuito abierto que puede desarrollar una sola celda de plomo-ácido es de 2.041 V.
Métodos de Construcción de Placas Negativas y Positivas
El método más simple para la construcción de electrodos de batería de plomo-ácido es la placa Planté, nombrada así por el inventor de la batería de plomo-ácido. Una placa Planté es simplemente una placa plana compuesta de plomo puro. Dado que la capacidad de una batería de plomo-ácido es proporcional al área de superficie de los electrodos que está expuesta al electrolito, se emplean varios esquemas para aumentar el área de superficie de los electrodos por unidad de volumen o peso. Las placas Planté están ranuradas o perforadas para aumentar su área de superficie. Una placa Planté típica se muestra en la imagen a continuación.
El método más comúnmente utilizado para aumentar el área de superficie es hacer que el material activo sea una pasta que actúe como una esponja donde el electrolito llena todos los poros. La pasta, o material activo, se monta en una estructura de marco o rejilla que lo soporta mecánicamente y sirve como el conductor eléctrico que lleva la corriente durante el ciclo de carga y descarga. La placa más comúnmente utilizada hoy en día es la placa empastada, también conocida como la placa plana. Esta estructura de rejilla es un entramado que se asemeja a la sección transversal de un panal, con la pasta llenando todas las ventanas rectangulares en la estructura. En la imagen a continuación se muestra una construcción típica de una rejilla de placa empastada. La construcción de placa plana se utiliza como la placa de electrodo negativo en casi todos los casos, y sirve como la placa positiva en la mayoría de las aplicaciones de reserva.
Placa Planté Típica
Construcción Típica de una Rejilla de Placa Empastada
Los electrodos positivos suelen ser de construcción de placa empastada o tubular. Los electrodos tubulares son placas positivas populares para aplicaciones de ciclos pesados. Esta construcción utiliza una estructura de marco que consiste en una serie de espinas verticales conectadas a un bus común (barra colectora). La pasta se mantiene en tubos microporosos, no conductores, que se colocan sobre las espinas individuales. Una vista simplificada de la construcción de placa tubular se muestra en la imagen a continuación. Independientemente del tipo de placa utilizado, la capacidad de cualquier batería se incrementa añadiendo múltiples placas en paralelo.
Aleación de Antimonio/Calcio/Selenio/Estaño
La estructura de rejilla en baterías de placa empastada y tubular está hecha de una aleación de plomo. Una estructura de rejilla de plomo puro no es lo suficientemente fuerte por sí sola para mantenerse vertical mientras soporta el material activo. Otros metales en pequeñas cantidades se alean con el plomo para agregar fuerza y mejorar las propiedades eléctricas. Los metales más comúnmente aleados son antimonio, calcio, estaño y selenio.
Construcción Típica de una Placa Tubular
Las dos aleaciones más comunes utilizadas hoy en día para endurecer la rejilla son antimonio y calcio. Las baterías con estos tipos de rejillas a veces se llaman baterías "plomo-antimonio" y "plomo-calcio". Se añade estaño a las rejillas de plomo-calcio para mejorar la ciclicidad. Las principales diferencias entre las baterías con rejillas de plomo-antimonio y plomo-calcio son las siguientes:
- Las baterías de plomo-antimonio pueden ser ciclicadas profundamente más veces que las baterías de plomo-calcio.
- Las baterías de plomo-antimonio inundadas requieren un mantenimiento más frecuente a medida que se acercan al final de su vida útil, ya que utilizan una cantidad creciente de agua y requieren cargas de igualación periódicas.
- Las baterías de plomo-calcio tienen tasas de autodescarga más bajas como se muestra en la imagen a continuación y, por lo tanto, consumirán menos corriente mientras están en carga flotante que las baterías de plomo-antimonio.
- Las placas positivas de plomo-calcio pueden crecer en longitud y ancho debido a la oxidación de la rejilla en los límites de grano. Esta oxidación generalmente es causada por sobrecarga a largo plazo, que es común en UPS y otras baterías en carga flotante constante. Las rejillas pueden crecer en tamaño lo suficiente como para causar pandeo o ruptura de sus contenedores.
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Tasas de Autodescarga de Tres Materiales de Rejilla
Otro tipo de aleación de rejilla es el plomo-selenio. En realidad, esta batería es en realidad una rejilla de bajo plomo-antimonio con una pequeña cantidad de selenio. El plomo-selenio tiene características que se encuentran en algún lugar entre el plomo-calcio y el plomo-antimonio.
Cuando el plomo puro se mezcla con una aleación, pueden introducirse características indeseables en el rendimiento de la batería. Los fabricantes de baterías modernos intentan reducir la cantidad de antimonio y calcio introduciendo agentes dopantes como selenio, cadmio, estaño y arsénico. Cuando las baterías que contienen arsénico y antimonio se cargan (especialmente sobrecargadas), los gases venenosos arsina (AsH3) y estibina (SbH3) pueden liberarse. Esto se discute más a fondo en los párrafos dedicados a la carga.
Gravedad Específica
Uno de los parámetros clave de la operación de la batería es la gravedad específica del electrolito. La gravedad específica es la relación del peso de una solución con el peso de un volumen igual de agua a una temperatura especificada. La gravedad específica se utiliza como un indicador del estado de carga de una celda o batería. Sin embargo, las mediciones de gravedad específica no pueden determinar la capacidad de una batería. Durante la descarga, la gravedad específica disminuye linealmente con los amperios-hora descargados como se indica en la imagen a continuación.
Cambios en Voltaje y Gravedad Específica Durante la Carga y Descarga
Por lo tanto, durante la operación en estado estacionario completamente cargada y en descarga, la medición de la gravedad específica del electrolito proporciona una indicación aproximada del estado de carga de la celda. La línea descendente para la gravedad específica durante la descarga se aproxima con la ecuación a continuación:
Gravedad específica = voltaje de circuito abierto de la celda - 0.845.
O
Voltaje de circuito abierto de la celda = gravedad específica + 0.845.
Las ecuaciones anteriores permiten el monitoreo eléctrico de la gravedad específica aproximada de manera ocasional. Como se mencionó anteriormente, no se pueden tomar mediciones de gravedad específica en baterías de plomo-ácido selladas. La medición del voltaje de circuito abierto de la celda se ha utilizado como un indicador del estado de carga de una batería sellada. Se están desarrollando métodos más confiables para determinar el estado de carga de las baterías selladas.
La gravedad específica disminuye durante la descarga de una batería a un valor cercano al del agua pura y aumenta durante una recarga. La batería se considera completamente cargada cuando la gravedad específica alcanza su valor más alto posible.
La gravedad específica, por supuesto, varía con la temperatura y la cantidad de electrolito en una celda. Cuando el electrolito está cerca de la marca de nivel bajo, la gravedad específica es más alta que la nominal y disminuye a medida que se agrega agua a la celda para llevar el electrolito al nivel completo. El volumen de electrolito se expande a medida que la temperatura aumenta y se contrae a medida que la temperatura disminuye, afectando así la lectura de densidad o gravedad específica. A medida que el volumen de electrolito se expande, las lecturas se reducen y, por el contrario, la gravedad específica aumenta con temperaturas más frías.
La gravedad específica para una batería dada se determina por la aplicación en la que se utilizará, teniendo en cuenta la temperatura de operación y la vida útil de la batería. Las gravedades específicas típicas para ciertas aplicaciones se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Gravedades específicas para baterías inundadas.
| Gravedades específicas | Aplicación |
| 1.300 | Baterías con ciclos pesados como para vehículos eléctricos (tracción) |
| 1.260 | Automotriz (SLI) |
| 1.250 | UPS—Reserva con requisito de descarga de corriente momentánea alta |
| 1.215 | Aplicaciones generales como servicios públicos de energía y aplicaciones telefónicas |
En la selección de una batería para una aplicación dada, algunos de los efectos de la gravedad específica alta o baja a considerar son:
| Gravedad más alta | Gravedad más baja |
| Más capacidad | Menos capacidad |
| Vida más corta | Vida más larga |
| Menos espacio requerido | Más espacio requerido |
| Mayores tasas de descarga momentánea | Menores tasas de descarga momentánea |
| Menos adaptable a la operación "flotante" | Más adaptable a la operación "flotante" |
| Más pérdida en reposo | Menos pérdida en reposo |
Una solución de mayor gravedad específica es más pesada por unidad de volumen que una de menor gravedad específica. Por lo tanto, el electrolito más concentrado creado durante la carga se hunde al fondo del frasco de la batería creando un gradiente en la gravedad específica. El gaseado que ocurre en la sobrecarga sirve como un "mezclador" y hace que la gravedad específica sea uniforme en toda la celda. Para evitar lecturas erróneas, las mediciones de gravedad específica solo deben tomarse después de una carga de igualación y una carga flotante subsiguiente durante al menos 72 horas. El lector debe buscar orientación adicional sobre la gravedad específica en ANSI/IEEE Std 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations.
Efectos de la Tasa de Descarga y la Temperatura en la Capacidad y la Vida
La tasa a la que se descarga una batería y su temperatura de operación tienen un efecto profundo en su capacidad y vida. Un ejemplo del efecto de la tasa de descarga en la capacidad de la batería se muestra en la imagen a continuación para baterías de tracción. Esta imagen muestra que las baterías descargadas a una tasa baja podrán entregar una mayor capacidad que aquellas descargadas a una tasa alta.
La profundidad de descarga también afecta la vida de una batería. Como se muestra en la imagen a continuación para una batería de tracción típica, las descargas más allá del 80% de capacidad pueden esperarse que acorten la vida útil de la batería.
Las temperaturas de operación más frías proporcionarán un poco más de vida, pero también reducirán la capacidad de las celdas de plomo ácido. Las temperaturas altas proporcionan una mayor capacidad (ver la imagen a continuación) pero tienen un efecto perjudicial en la vida.
Efectos Típicos de la Tasa de Descarga en la Capacidad de la Batería
Efectos Típicos de la Profundidad de Descarga en la Vida de la Batería de Tracción
Efectos Típicos de las Temperaturas de Operación en la Capacidad de la Batería de Tracción
Aplicaciones
Existen numerosas aplicaciones para el uso de baterías de almacenamiento de plomo-ácido. Van desde los sistemas de baterías extremadamente grandes utilizados en la nivelación de carga por compañías de servicios eléctricos hasta las baterías relativamente pequeñas utilizadas en herramientas manuales. Las baterías pueden necesitar someterse a ciclos profundos y frecuentes, como aquellas utilizadas para la energía de vehículos eléctricos, o pueden permanecer en "flotación" como en una aplicación de iluminación de emergencia y solo descargarse raramente. Claramente, estas aplicaciones no pueden usar todas la misma batería. Las restricciones en parámetros como la temperatura de operación, la capacidad deseada, los requisitos de voltaje y potencia, etc., afectan el tipo de batería elegida.
Todos los aspectos anteriores se tienen en cuenta al determinar el ciclo de trabajo de la batería. El ciclo de trabajo son los parámetros de operación requeridos de una celda o batería, incluidos factores como las tasas de carga y descarga, la profundidad de descarga, la duración del ciclo y el tiempo en modo de espera. El ciclo de trabajo debe conocerse e incluirse en la especificación de adquisición de la batería. El ciclo de trabajo y la batería elegida también determinarán el tipo de cargador utilizado. Se incluyen más detalles sobre la coincidencia de cargadores con baterías y aplicaciones en párrafos posteriores. Más información sobre ciclos de trabajo se incluye en la sección titulada "Dimensionamiento y Selección".
Las principales categorías de aplicaciones de baterías de plomo-ácido son arranque, iluminación e ignición (SLI); industrial, incluyendo aplicaciones de tracción y estacionarias; y equipos portátiles pequeños. A continuación se incluye una breve descripción de cada tipo junto con ejemplos de usos de cada tipo.
Arranque, Iluminación e Ignición
Las baterías SLI son utilizadas por la mayoría de las personas todos los días y se producen en mayor número que cualquier otro tipo de batería de almacenamiento de plomo-ácido. Estas se utilizan para arrancar automóviles y la mayoría de otros tipos de motores de combustión interna. No son adecuadas para aplicaciones de descarga profunda, pero son excelentes para usos que necesitan una alta corriente por un breve tiempo. Por lo general, se cargan de manera "flotante parcial", lo que significa que la batería solo recibe una carga flotante mientras el vehículo está en funcionamiento. Una vista en corte de una batería SLI típica se muestra en la imagen a continuación. Las baterías SLI suelen ser del diseño de placa empastada plana.
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Vista en Corte de una Batería Típica Utilizada para Arranque, Iluminación e Ignición (SLI)
Industrial
Las baterías industriales generalmente tienen la mayor capacidad de las tres principales categorías de baterías de plomo-ácido. Las baterías industriales se utilizan para aplicaciones de tracción y estacionarias.
Tracción
Las baterías de tracción se utilizan para proporcionar energía motriz para vehículos eléctricos o híbridos. El énfasis principal en el diseño de baterías de tracción es la necesidad de una alta relación capacidad a peso y volumen, ya que el vehículo también debe llevar su fuente de energía. Las baterías de tracción se ciclan frecuentemente y requieren una tasa de carga rápida para su uso generalmente dentro de las 24 horas. Las aplicaciones típicas son energía motriz para montacargas y carros eléctricos. Las baterías de tracción suelen ser del diseño de placa tubular, que funciona más favorablemente durante la operación de ciclo profundo.
Estacionarias
Las baterías estacionarias vienen en una amplia variedad de diseños para diferentes aplicaciones. Se utilizan para aplicaciones donde la energía es necesaria solo de manera de espera o emergencia. Las baterías estacionarias se descargan infrecuentemente. Las baterías estacionarias permanecen en una carga flotante continua para que puedan usarse a demanda. Los tipos más grandes de baterías estacionarias son aquellos utilizados para la nivelación de carga eléctrica. Las baterías de nivelación de carga almacenan energía eléctrica para momentos de demanda máxima de energía y se desconectan durante momentos de baja demanda de energía. Las baterías estacionarias también se utilizan para energía de emergencia de respaldo, equipos de telecomunicaciones y fuentes de energía ininterrumpida. Las baterías estacionarias se fabrican en una variedad de diseños de placas. Un ejemplo de una batería estacionaria utilizada para energía de respaldo se muestra en la imagen a continuación.
Batería Estacionaria Típica Utilizada para Energía de Respaldo
Portátiles
Las baterías de plomo-ácido portátiles suelen ser del tipo sellado construidas de manera similar a la que se muestra en la imagen a continuación. Su operación no puede describirse generalmente como cíclica o flotante, sino que se encuentra en algún punto intermedio. Las baterías en esta categoría pueden ser ciclicadas profundamente con frecuencia o permanecer sin uso durante un tiempo relativamente largo. Las aplicaciones típicas son herramientas portátiles, juguetes, iluminación e iluminación de emergencia, equipos de radio y sistemas de alarma. La mayoría de las baterías portátiles pueden recargarse al 80–90% de su capacidad original en menos de una hora utilizando un cargador de voltaje constante.
Componentes de la Celda de Plomo Ácido Sellada
Dimensionamiento y Selección
El dimensionamiento y la selección de baterías de plomo-ácido deben realizarse de acuerdo con ANSI/IEEE Std 485, IEEE Recommended Practice for Sizing Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations. Como se describió anteriormente, el ciclo de trabajo es el criterio más importante en el dimensionamiento y selección de baterías. ANSI/IEEE Std 485 contiene instrucciones así como un ejercicio de muestra para determinar el ciclo de trabajo. Un diagrama simple de ciclo de trabajo se muestra en la imagen a continuación.
Diagrama de un Ciclo de Trabajo
Cada una de las cargas (designadas por L1-6) requiere una cierta amperaje por un tiempo y duración especificados. En el ciclo de trabajo de ejemplo, se asume que una carga que ocurre aleatoriamente (L7) ocurre en el minuto 120. La colocación de cargas que ocurren aleatoriamente en el ciclo de trabajo también se cubre en ANSI/IEEE Std 485.
Otros factores de selección recomendados por ANSI/IEEE Std 485 son los siguientes:
- Características físicas, como tamaño y peso de las celdas, material del contenedor, tapas de ventilación, conectores entre celdas y terminales
- Vida útil planificada de la instalación y vida útil esperada del diseño de la celda
- Frecuencia y profundidad de descarga
- Temperatura ambiente
- Requisitos de mantenimiento para los diversos diseños de celdas
- Características sísmicas del diseño de la celda.
Mantenimiento
Un mantenimiento adecuado prolongará la vida útil de una batería y ayudará a asegurar que sea capaz de satisfacer sus requisitos de diseño. Un buen programa de mantenimiento de baterías servirá como una ayuda valiosa para determinar la necesidad de reemplazo de la batería. El mantenimiento de baterías siempre debe ser realizado por personal capacitado y conocedor de las baterías y las precauciones de seguridad involucradas.
La mayoría del material siguiente concierne a baterías inundadas, no libres de mantenimiento. Sin embargo, las baterías llamadas "libres de mantenimiento" y reguladas por válvula también requieren algo de mantenimiento. No requieren adición de agua ni verificación de gravedad específica, pero pueden requerir limpieza periódica, monitoreo del voltaje total de flotación de la celda y la batería, pruebas de carga (capacidad), medición de resistencia de terminales, o limpieza y ajuste de los pernos de terminales dependiendo de la importancia de la aplicación.
General
En general, un buen programa de mantenimiento e inspección debe basarse en estándares relevantes, como ANSI/IEEE Std 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations. Algunas de las prácticas recomendadas de estas y otras referencias se presentan en los siguientes párrafos.
Las baterías de plomo-ácido inundadas pueden funcionar durante 10 años o más si se mantienen adecuadamente. Las seis reglas generales de mantenimiento adecuado son:
- Coincidir el cargador con los requisitos de la batería.
- Evitar descargar en exceso la batería.
- Mantener el electrolito al nivel apropiado (agregar agua según sea necesario).
- Mantener la batería limpia.
- Evitar sobrecalentar la batería.
- Proporcionar una carga de igualación periódicamente a baterías/celdas débiles.
Coincidir el Cargador con los Requisitos de la Batería
La mala práctica de carga es responsable de acortar la vida útil de una batería más que cualquier otra causa. La carga puede lograrse mediante varios métodos, pero el objetivo de hacer pasar corriente a través de la batería en la dirección opuesta a la descarga sigue siendo el mismo. El aspecto más importante de la carga es coincidir el cargador con la aplicación de la batería. Al elegir un cargador, es necesario considerar el tipo de batería, la forma en que se descargará la batería, el tiempo disponible para la carga, los extremos de temperatura que experimentará la batería y el número de celdas en la batería (voltaje de salida). Es importante consultar al fabricante de la batería en el momento de la compra para determinar el método de carga adecuado.
En general, las baterías de plomo-ácido pueden recargarse a cualquier tasa que no produzca un gaseado excesivo, sobrecarga o altas temperaturas. Las baterías descargadas pueden recargarse a una alta corriente inicialmente. Sin embargo, una vez que la batería se acerca a su carga completa, la corriente debe disminuirse para reducir el gaseado y la sobrecarga excesiva.
Existe una amplia variedad de esquemas para cargar baterías de plomo-ácido. Aunque una discusión completa de varias técnicas de carga está más allá del alcance de este curso, a continuación se describe de manera general los métodos más comunes.
Carga de Voltaje Constante
Los cargadores de voltaje constante (a menudo llamados de potencial constante) mantienen casi el mismo voltaje de entrada a la batería durante todo el proceso de carga, independientemente del estado de carga de la batería. Los cargadores de voltaje constante proporcionan una alta corriente inicial a la batería debido a la mayor diferencia de potencial entre la batería y el cargador. Un cargador de voltaje constante puede devolver hasta el 70% de la descarga previa en los primeros 30 minutos. Esto resulta útil en muchas aplicaciones de batería que involucran múltiples escenarios de descarga. A medida que la batería se carga, su voltaje aumenta rápidamente. Esto reduce el potencial que ha estado impulsando la corriente, con una correspondiente disminución rápida de la corriente de carga como se muestra en la imagen a continuación. Como resultado, aunque la batería alcanza una carga parcial rápidamente, obtener una carga completa requiere una carga prolongada.
Dado este comportamiento, los cargadores de voltaje constante se encuentran frecuentemente en aplicaciones que normalmente permiten períodos de carga extendidos para alcanzar una carga completa. Los cargadores de voltaje constante no deben usarse donde hay un ciclo frecuente de la batería. Las descargas repetidas sin devolver la celda a su carga completa eventualmente disminuirán la capacidad de la batería y pueden dañar las celdas individuales.
Los cargadores de voltaje constante se utilizan con mayor frecuencia en dos modos muy diferentes: como un cargador rápido para restaurar un alto porcentaje de carga en un corto tiempo o como un cargador flotante para minimizar los efectos de la sobrecarga en baterías que tienen descargas infrecuentes como se describe a continuación.
Tasa de Carga versus Tiempo para un Cargador de Voltaje Constante Típico
Carga Flotante
La carga flotante se utiliza más comúnmente para aplicaciones de energía de respaldo y emergencia donde la descarga de la batería es infrecuente. Durante la carga flotante, el cargador, la batería y la carga están conectados en paralelo. El cargador opera con la fuente de energía normal que proporciona corriente a la carga durante la operación. En caso de falla de la fuente de energía normal, la batería proporciona energía de respaldo hasta que se restaura la fuente de energía normal. Dado que la mayoría del equipo requiere corriente alterna, se agrega un circuito rectificador para convertir la corriente alterna en corriente continua entre la batería y la carga. Los cargadores flotantes son típicamente cargadores de voltaje constante que operan a un voltaje bajo. Operar el cargador a un voltaje bajo, generalmente menos de aproximadamente 2.4 V por celda, mantiene la corriente de carga baja y así minimiza los efectos dañinos de la sobrecarga de alta corriente.
Para las baterías reguladas por válvula, una consideración importante al cargar flotante es la posible ocurrencia de un fenómeno llamado "fuga térmica". La mejor manera de prevenir la fuga térmica es mediante el uso de un cargador de batería compensado por temperatura. Un cargador compensado por temperatura ajusta el voltaje de flotación basado en la temperatura de la batería. Los cargadores compensados por temperatura aumentarán la confiabilidad y prolongarán la vida del sistema de batería/cargador. Son especialmente útiles para baterías ubicadas en áreas donde las temperaturas pueden ser significativamente superiores a las condiciones ambientales.
Carga de Corriente Constante
La carga de corriente constante simplemente significa que el cargador suministra una corriente relativamente uniforme, independientemente del estado de carga de la batería o la temperatura. La carga de corriente constante ayuda a eliminar los desequilibrios de celdas y baterías conectadas en serie. Los cargadores de corriente constante de una sola tasa son más apropiados para la operación cíclica donde a menudo se requiere que una batería obtenga una carga completa durante la noche. A estas altas tasas de carga habrá algo de ventilación de gases. La oxidación de la rejilla positiva ocurrirá a temperaturas elevadas o tiempos de sobrecarga extendidos. Normalmente, se instruye al usuario de una aplicación cíclica para que retire la batería de un cargador de corriente constante de una sola tasa dentro de un período de tiempo que permita una carga completa pero que evite la oxidación excesiva de la rejilla.
Otro tipo de cargador de corriente constante es el cargador de tasa dividida. Un cargador de tasa dividida aplica una alta corriente inicial a la celda y luego cambia a una tasa baja basada en el tiempo de carga, voltaje o ambos. La elección del método de cambio y el punto de cambio puede verse afectada por la prioridad relativa de minimizar la ventilación (cambio temprano) frente a mantener un buen equilibrio de celdas (cambio tardío). En algunos cargadores de tasa dividida, el cargador alternará entre la tasa alta y baja a medida que la batería se acerque a la carga completa. Los cargadores de tasa dividida son útiles cuando la descarga no puede clasificarse como flotante o cíclica, sino que se encuentra en algún lugar entre las dos aplicaciones.
Carga de Mantenimiento
Una carga de mantenimiento es una carga de corriente constante continua a una tasa baja (aproximadamente C/100) que se utiliza para mantener la batería en una condición completamente cargada. La carga de mantenimiento se utiliza para recargar una batería por las pérdidas de autodescarga, así como para restaurar la energía descargada durante el uso intermitente de la batería. Este método se utiliza típicamente para baterías SLI y similares cuando la batería se retira del vehículo o de su fuente regular de carga. La carga de mantenimiento también se utiliza ampliamente para herramientas y equipos portátiles como linternas y destornilladores a batería.
Evitar la Sobredescarga
Para obtener la máxima vida útil de las baterías de plomo-ácido, deben desconectarse de la carga una vez que hayan descargado su capacidad completa. El voltaje de corte de una celda de plomo-ácido suele ser alrededor de 1.75 V. Sin embargo, el voltaje de corte es muy sensible a la temperatura de operación y la tasa de descarga. Las baterías descargadas a una tasa alta tendrán un voltaje de corte más bajo que aquellas descargadas a una tasa baja. Se obtienen mayores capacidades a temperaturas más altas y tasas de descarga bajas. El fabricante debe especificar voltajes de corte para varias temperaturas de operación y tasas de descarga. La sobredescarga puede causar dificultades en la recarga de la celda al aumentar la resistencia interna de la batería. Además, la sobredescarga puede causar que el plomo se precipite en el separador y cause un cortocircuito en la celda o entre celdas.
Mantener los Niveles de Electrolito
Durante la operación normal, se pierde agua de una batería de plomo-ácido inundada como resultado de la evaporación y la electrólisis en hidrógeno y oxígeno, que escapan a la atmósfera. Un Faraday de sobrecarga resultará en una pérdida de aproximadamente 18 g de agua. La evaporación es una parte relativamente pequeña de la pérdida, excepto en climas muy cálidos y secos. Con una batería completamente cargada, la electrólisis consume agua a una tasa de 0.336 cm3 por amperio-hora de sobrecarga. Una batería de 500 Ah sobrecargada al 10% puede perder así 16.8 cm3, o aproximadamente el 0.3%, de su agua en cada ciclo. Es importante que el electrolito se mantenga al nivel adecuado en la batería. El electrolito no solo sirve como conductor iónico, sino que es un factor importante en la transferencia de calor desde las placas. Si el electrolito está por debajo del nivel de las placas, entonces un área de la placa no es electroquímicamente eficiente; esto causa una concentración de calor en otras partes de la batería. La verificación periódica del consumo de agua también puede servir como una verificación aproximada de la eficiencia de carga y puede advertir cuando se requiere un ajuste del cargador.
Dado que reemplazar agua puede ser un costo de mantenimiento importante, la pérdida de agua puede reducirse controlando la cantidad de sobrecarga y utilizando dispositivos de recombinación de hidrógeno y oxígeno en cada celda donde sea posible. La adición de agua se realiza mejor después de la recarga y antes de una carga de igualación. Se agrega agua al final de la carga para alcanzar la línea de nivel alto. El gaseado durante la sobrecarga agitará el agua en el ácido de manera uniforme. En clima frío, no se debe agregar agua sin mezclar, ya que puede congelarse antes de que ocurra el gaseado. Solo se debe agregar agua destilada a las baterías. Aunque el agua desmineralizada o del grifo puede estar aprobada para algunas baterías, el bajo costo del agua destilada la convierte en la mejor opción. Los dispositivos de riego automático y las pruebas de confiabilidad pueden reducir aún más los costos de mano de obra de mantenimiento. Se debe evitar el sobrellenado porque el desbordamiento resultante del electrolito ácido causará corrosión en la bandeja, caminos a tierra y pérdida de capacidad de la celda. Aunque la mayoría de los fabricantes de baterías ya no especifican agua destilada, el agua de buena calidad, baja en minerales e iones de metales pesados como el hierro, ayudará a prolongar la vida útil de la batería.
Limpieza
Mantener la batería limpia minimizará la corrosión de los conectores de los postes de las celdas y las bandejas de acero y evitará reparaciones costosas. Las baterías comúnmente recogen suciedad seca que puede ser fácilmente soplada o cepillada. Esta suciedad debe eliminarse antes de que la humedad la convierta en un conductor de corrientes errantes. La parte superior de la batería puede mojarse con electrolito en cualquier momento que se sobrellene una celda. El ácido en este electrolito no se evapora y debe neutralizarse lavando la batería con una solución de bicarbonato de sodio y agua caliente, aproximadamente 1 kg de bicarbonato de sodio por 4 L de agua. Después de la aplicación de dicha solución, el área debe enjuagarse a fondo con agua.
Evitar Altas Temperaturas
Una de las condiciones más perjudiciales para una batería es la alta temperatura, particularmente por encima de 55ºC, porque las tasas de corrosión, solubilidad de componentes metálicos y autodescarga aumentan con el aumento de la temperatura. La alta temperatura de operación durante el servicio cíclico requiere una mayor entrada de carga para restaurar la capacidad de descarga y las pérdidas de autodescarga. Más de la entrada de carga se consume por la reacción de electrólisis debido a la reducción en el voltaje de gaseado a la temperatura más alta. Mientras que el 10% de sobrecarga por ciclo mantiene el estado de carga a 25 a 35ºC, se puede requerir un 35 a 40% de sobrecarga para mantener el estado de carga a las temperaturas de operación más altas (60 a 70ºC). En servicio flotante, las corrientes de flotación aumentan a las temperaturas más altas, lo que resulta en una vida útil reducida. Once días de flotación a 75ºC equivalen en vida a 365 días a 25ºC. Las baterías destinadas a aplicaciones de alta temperatura deben usar un electrolito de gravedad específica inicial más baja que aquellas destinadas a uso a temperaturas normales. Se debe consultar a los fabricantes sobre los rangos de temperatura aceptables para la operación de sus baterías y sobre los efectos asociados de la temperatura. Las baterías de níquel-cadmio pueden ser más adecuadas para aplicaciones de alta temperatura.
Suministrar una Carga de Igualación
A menudo, una batería de múltiples celdas tendrá una o más celdas a un voltaje significativamente más bajo que otras celdas en la batería. Cuando la batería se descarga, las celdas con voltaje más bajo pueden sobredescargarse. Como se señaló anteriormente, la sobredescarga puede causar suficiente daño a una celda que necesita ser reemplazada. Cuando existe una diferencia entre los potenciales de las celdas en la misma batería, se aplica una carga de igualación para llevarlas a un potencial igual al de las otras celdas. Los criterios para aplicar una carga de igualación pueden encontrarse en ANSI/IEEE 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations.
Precauciones de Seguridad
Los problemas de seguridad asociados con las baterías de plomo-ácido incluyen derrames de ácido sulfúrico, posibles explosiones por la generación de hidrógeno y oxígeno, y la generación de gases tóxicos como arsina y estibina. Todos estos problemas pueden manejarse satisfactoriamente con las precauciones adecuadas. NFPA 70, Código Eléctrico Nacional, proporciona orientación sobre la ventilación de salas de baterías. Se recomienda el uso de protectores faciales y delantales y guantes de plástico o goma al manipular ácido para evitar quemaduras químicas por ácido sulfúrico. Enjuague inmediatamente y a fondo con agua limpia si el ácido entra en los ojos, la piel o la ropa y obtenga atención médica cuando los ojos se vean afectados. Una solución de bicarbonato de soda se utiliza comúnmente para neutralizar cualquier ácido derramado accidentalmente. Después de la neutralización, el área debe enjuagarse con agua clara.
Las precauciones deben practicarse rutinariamente para prevenir explosiones por la ignición de la mezcla de gas inflamable de hidrógeno y oxígeno formada durante la sobrecarga de celdas de plomo-ácido. La tasa máxima de formación es de 0.42 L de hidrógeno y 0.21 L de oxígeno por amperio-hora de sobrecarga a temperatura y presión estándar. La mezcla de gas es explosiva cuando el hidrógeno en el aire excede el 4% en volumen. Una práctica estándar es establecer dispositivos de advertencia para activar alarmas al 20 al 25% de este límite explosivo inferior (LEL). Los detectores de hidrógeno están disponibles comercialmente para este propósito.
Con una buena circulación de aire alrededor de una batería, la acumulación de hidrógeno normalmente no es un problema. Sin embargo, si las baterías relativamente grandes están confinadas en habitaciones pequeñas, se deben instalar ventiladores de escape para ventilar la habitación constantemente o para encenderse automáticamente cuando la acumulación de hidrógeno exceda el 20% del límite explosivo inferior. Las cajas de baterías también deben ventilarse a la atmósfera. Las chispas o llamas pueden encender estas mezclas de hidrógeno por encima del LEL. Para prevenir la ignición, las fuentes eléctricas de arcos, chispas o llamas deben montarse en cajas metálicas a prueba de explosiones. Las baterías inundadas pueden equiparse de manera similar con arrestadores de llamas en los respiraderos para evitar que chispas externas enciendan gases explosivos dentro de las cajas de las celdas. Es obligatorio abstenerse de fumar, usar llamas abiertas o crear chispas en las cercanías de la batería. Un número considerable de las explosiones de baterías reportadas provienen de la carga descontrolada en aplicaciones no automotrices. A menudo, las baterías se cargarán, fuera del vehículo, durante largos períodos de tiempo con un cargador no regulado. A pesar de que las corrientes de carga pueden ser bajas, pueden acumularse volúmenes considerables de gas. Cuando la batería se mueve, este gas se ventila, y si hay una chispa presente, se han conocido explosiones. La introducción de rejillas de aleación de calcio ha minimizado este problema, pero la posibilidad de explosión aún está presente.
Algunos tipos de baterías pueden liberar pequeñas cantidades de los gases tóxicos, estibina y arsina. Estas baterías tienen placas positivas o negativas que contienen pequeñas cantidades de los metales antimonio y arsénico en la aleación de la rejilla para endurecer la rejilla y reducir la tasa de corrosión de la rejilla durante el ciclo. La arsina (AsH3) y la estibina (SbH3) se forman cuando el material de aleación de arsénico o antimonio entra en contacto con el hidrógeno, generado durante la sobrecarga de la batería. Son extremadamente peligrosos y pueden causar enfermedades graves y la muerte. La ventilación del área de la batería es muy importante. Las indicaciones son que la ventilación diseñada para mantener el hidrógeno por debajo del 20% LEL (aproximadamente 1% de hidrógeno) también mantendrá la estibina y la arsina por debajo de sus límites tóxicos.
El siguiente resumen de precauciones de seguridad ayudará a prevenir lesiones personales y/o daños a la propiedad:
- Siga las reglas de seguridad del sitio y del área aplicables para trabajar en baterías.
- Obtenga un permiso de autorización de trabajo aprobado según el Manual de Seguridad del Sitio antes de iniciar cualquier trabajo en baterías.
- Se requiere el uso de artículos de protección personal como guantes resistentes al ácido, delantal, protector facial y gafas.
- El electrolito es extremadamente corrosivo y se requiere extrema precaución durante su manipulación.
- Use solo herramientas no conductoras/aisladas/no chispeantes en la sala de baterías.
- No fume ni use llamas abiertas, no cause arcos en las cercanías de la batería.
- Todos los objetos metálicos como joyas (anillos, pulseras, collares) deben retirarse antes de trabajar en baterías.
- Neutralice la acumulación estática justo antes de trabajar en baterías haciendo que el personal contacte la superficie efectivamente conectada a tierra más cercana.
- Asegúrese de que la entrada y salida del área de la batería estén despejadas.
- Verifique la disponibilidad de instalaciones de agua (portátiles o estacionarias) actualmente inspeccionadas y operables para enjuagar los ojos y la piel en caso de un derrame de ácido.
- Se requiere un Permiso de Trabajo de Radiación para todo trabajo en un área controlada radiológicamente.
- Por razones de seguridad, una persona no debe trabajar sola. Siempre deben estar presentes al menos dos personas (Regla de Dos Personas) cuando se trabaja en sistemas de energía eléctrica.
Pruebas
Las baterías deben probarse a intervalos regulares para (a) determinar si la batería cumple con su especificación o la calificación del fabricante, o ambos; (b) determinar periódicamente si el rendimiento de la batería, tal como se encuentra, está dentro de límites aceptables, y (c) si es necesario, determinar si la batería tal como se encuentra cumple con los requisitos de diseño del sistema al que está conectada. El programa y procedimiento para las pruebas de capacidad de la batería deben realizarse de acuerdo con los requisitos de ANSI/IEEE Std 450, IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations.
Para una prueba de aceptación o rendimiento, use la siguiente ecuación para determinar la capacidad de la batería:
% capacidad a 25ºC (77ºF) = Ta/Ts • 100,
donde
Ta = tiempo real de prueba al voltaje terminal especificado
Ts = tiempo nominal al voltaje terminal especificado.
ANSI/IEEE Std 450 recomienda el reemplazo de una batería si su capacidad determinada a partir de la ecuación anterior es inferior al 80% de la calificación del fabricante. Una capacidad del 80% muestra que la tasa de deterioro de la batería está aumentando incluso si hay suficiente capacidad para cumplir con los requisitos de carga. Si se requiere reemplazar celdas individuales, deben ser compatibles con las celdas existentes y probarse antes de la instalación. Se recomienda que cuando se reemplacen una o más celdas/frascos, se reemplace toda la cadena de baterías para evitar grandes diferencias en la impedancia de las celdas. Si no se corrige, esto puede resultar en una carga desigual de la cadena de baterías.
Almacenamiento, Transporte y Eliminación
Almacenamiento
El almacenamiento de baterías de plomo-ácido es bastante sencillo. Las baterías de plomo-ácido deben almacenarse en la condición de circuito abierto con los terminales aislados. Los períodos prolongados de almacenamiento incluso a tasas de drenaje bajas pueden resultar en daños permanentes. Las baterías deben almacenarse en ambientes frescos y secos en su posición vertical. Para maximizar el tiempo que una batería puede almacenarse, debe estar completamente cargada al principio. Las baterías que se almacenarán por períodos prolongados deben someterse a verificaciones regulares de voltaje de celda abierta (OCV) y recargarse según sea necesario o en intervalos programados regularmente.
Una consideración importante durante el almacenamiento es un proceso dañino llamado sulfatación. A medida que las celdas se sientan en almacenamiento y se autodescargan, los materiales activos de los electrodos se convierten en sulfato de plomo al igual que en otras descargas. Pero, en la autodescarga, el sulfato de plomo se forma como cristales más grandes que tienen el efecto de aislar las partículas del material activo, ya sea entre sí o de la rejilla. Dado que el sulfato de plomo ocupa más espacio que el plomo esponjoso, la placa negativa se expande en volumen. Si se permite que la celda se descargue en exceso, el sulfato de plomo puede expandirse hasta el punto en que se separa del plomo esponjoso y cae al fondo del frasco como sedimento. El efecto general es una pérdida de capacidad y una mayor resistencia interna. La sulfatación es normalmente reversible para el sulfato de plomo aún adherido a la placa negativa cargando con una corriente baja hasta que el sulfato de plomo se convierta de nuevo en plomo esponjoso.
Transporte
Las baterías de plomo-ácido están reguladas como un material peligroso por muchas compañías de envío y organismos reguladores. Bajo ciertas condiciones, un remitente puede estar excluido de estos requisitos si las baterías y los métodos de embalaje cumplen con requisitos estrictos.
Eliminación
La eliminación de baterías de plomo-ácido debe realizarse de acuerdo con todas las regulaciones federales, estatales y locales. Las baterías de plomo-ácido deben ser reclamadas para evitar los requisitos regulatorios para el tratamiento y eliminación de desechos peligrosos. La recuperación es requerida por ley en algunos países.
Componentes del Modelo 3D
Este modelo 3D muestra todos los componentes principales asociados con una batería de plomo ácido inundada típica, estos incluyen:
- Postes de Terminal Cónicos
- Tapones de Ventilación y Llenado
- Conductor a Través de la Partición
- Placas Positivas (Dióxido de Plomo)
- Aislante
- Placa Negativa (Plomo)
- Reposaplatos
- Espacio para Sedimentos
- Electrolito
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Lead%E2%80%93acid_battery
https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries