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Baterías eléctricas


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Si durante cierto tiempo se hace pasar una corriente eléctrica por una celda electrolítica que contiene una solución acuosa polarizante, se observa que al desconectar la fuente de energía y unir los electrodos de la celda con un galvanómetro, se produce la circulación de una corriente eléctrica en sentido contrario al que circulaba inicialmente.

La explicación de este fenómeno es que la corriente inicial ha polarizado los electrodos, alterándolos de un modo diferente. En dicho estado el electrolito los ataca de distinta manera y esta diferencia de reacción química produce una fuerza electromotriz de polarización entre los electrodos de esta pila secundaria o acumulador.

Las baterías de acumuladores están formadas por un conjunto de vasos o celdas electrolíticas conectadas en serie y/o en paralelo, que aprovechan la polarización electrolítica para almacenar energía eléctrica durante lapsos prolongados. A mayor cantidad de vasos conectados en serie se obtendrá una mayor tensión y a mayor cantidad de vasos conectados en paralelo se tendrá una mayor capacidad de la batería.

En la actualidad hay una gran diversidad de modelos de baterías ácidas y alcalinas, con distintos tipos de electrodos y electrolitos; además de la abundante variedad de tamaños y formas. En este artículo analizaremos las tradicionales baterías de plomo-ácido, que siguen brindando importantes servicios en todo el mundo.

En general estos acumuladores se utilizan en instalaciones de emergencia, servicios auxiliares, vehículos automotores o en sistemas aislados de la red de energía; y frente a otros equipos destinados a funciones equivalentes, resultan muy confiables en el servicio, no producen ruidos molestos y no necesitan operaciones de puesta en marcha.

Sin embargo su mantenimiento es algo delicado, ocupan mucho lugar y los recintos que los alojan deben cumplir requisitos especiales.

Las celdas electrolíticas contienen placas negativas de plomo esponjoso (Pb) de color gris y placas positivas de bióxido de plomo (PbO2) de color rojizo y mas pesadas que las anteriores. Además en los núcleos de las placas se introducen elementos aleados, principalmente entre 6 y 12 % de antimonio para fortalecer el soporte mecánico de los óxidos activos. Para mejorar las características de las baterías, también se introducen diferentes proporciones de calcio y selenio.

Entre las placas se colocan separadores fabricados con madera, lana de vidrio, caucho o PVC, presentando una superficie ranurada del lado del electrodo positivo.

Para lograr una acción química mas efectiva, se procura aumentar la superficie de los electrodos, fabricando placas con celdillas u otras formas especiales. Los electrodos positivos se construyen en una disposición de placas planas de gran superficie (Gro) o en una disposición de placas tubulares blindadas (OPzS - OPzV), compuesta por un peine de plomo aleado, donde alrededor de cada espina se encuentra el material activo soportado por una malla permeable que permite el paso del electrolito, sirve de vaina e impide el desprendimiento de óxidos.

Todo el conjunto se encuentra sumergido en un electrolito de ácido sulfúrico (SO4H2) diluido en agua destilada (H2O) en una proporción del 10 al 20 %, estando contenido en un recipiente de polipropileno o caucho vulcanizado con 50% de azufre. Cabe aclarar que en algunos modelos sellados, el electrolito se halla inmovilizado por un gel, disponiéndose una válvula de presión de seguridad.

En estas condiciones, en la superficie de los electrodos se forma una delgada capa de sulfato de plomo (SO4Pb).

Durante el proceso de carga se produce la disociación del ácido sulfúrico:

(SO4H2) ==> ( SO4 --) + 2 (H+)

El ( SO4 --) se dirige al ánodo, neutraliza su carga y se produce la siguiente reacción:

( SO4--) + (SO4Pb) + 2 (H2O) ==> 2(SO4H2) + (PbO2)

El (H+) se dirige al cátodo, neutraliza su carga y se produce la siguiente reacción:

2 (H+) + 2 e ==> (H2)

(H2) + (SO4Pb) ==> ( SO4 H2) + (Pb)

En consecuencia, durante la carga se deposita (PbO2) en el ánodo, (Pb) en el cátodo y aumenta el peso específico del electrolito por la disminución de agua y el aumento del ácido sulfúrico (de mayor densidad), produciéndose una FEM de polarización de alrededor de 2,1 V por celda

Durante el proceso de descarga se produce el proceso inverso:

2(SO4H2) + (PbO2) ==> ( SO4--) + (SO4Pb) + 2 (H2O) Ánodo

( SO4 H2) + (Pb) ==> (H2) + (SO4Pb) Cátodo

En consecuencia, durante la descarga se deposita (SO4Pb) en las placas y disminuye el peso específico del electrolito.

Por todo lo anterior, para verificar el estado de carga de una batería de plomo-ácido, basta con medir el peso específico del electrolito mediante un densímetro.

Como la densidad relativa disminuye en 0,00072 por cada grado de aumento de la temperatura, se toma 25 ºC como valor de referencia; por lo que un buen densímetro debe incluir un termómetro para efectuar las correcciones a otras temperaturas del electrolito. A continuación damos algunos valores típicos:

Densidad 1,260 a 1,280 ==> 100 % de carga
Densidad 1,230 a 1,250 ==> 75 % de carga
Densidad 1,200 a 1,220 ==> 50 % de carga
Densidad 1,170 a 1,190 ==> 25 % de carga
Densidad 1,140 a 1,160 ==> muy poca carga
Densidad 1,110 a 1,130 ==> descargada

La reducción de la temperatura aumenta la vida útil, pero disminuye la capacidad del acumulador (ley de Nerst). Por ejemplo, si a 25 ºC se tiene una carga del 100 %, a 0 ºC la carga se puede reducir al 65 %. Además, a bajas temperaturas se dificulta el proceso de carga, al aumentar la tensión en las celdas.

Por otra parte, si se aumenta la cantidad de ácido sulfúrico que se diluye en el agua, se logra un electrolito de mayor densidad con el consiguiente aumento de la capacidad de descarga de la batería y un mejor mantenimiento de la tensión. Sin embargo se disminuye la vida útil, al crearse un ámbito mas agresivo para las placas y los separadores. Esto también ocurre cuando la batería se carga excesivamente y aumenta la concentración de ácido.

La capacidad C de un acumulador es la cantidad de electricidad que puede entregar y se expresa en Ampere-hora (Ah). Dicho valor depende de la intensidad, la duración y la tensión de descarga; de la densidad y temperatura del electrolito y del estado de envejecimiento en que se encuentre la batería.

La capacidad nominal es la indicada por el fabricante, y viene dada por la cantidad de electricidad que el acumulador puede entregar en un tiempo de descarga determinado a la intensidad nominal indicada por el fabricante. El símbolo C se completa con un subíndice que indica la duración de la descarga en horas. Por ejemplo si la descarga dura 10 horas, se denominará C10. La intensidad nominal correspondiente se designará con I10.

Cabe aclarar que un mismo acumulador puede tener distintos valores de capacidad, según el tiempo de descarga especificado. Por ejemplo, para un acumulador determinado se puede tener: C5 = 0,8 C10. Esto se debe a que durante una descarga rápida solo interviene la superficie externa del electrodo, pues no hay tiempo para que llegue a intervenir todo el material activo de la placa. Este fenómeno hace que para regímenes de descarga rápida se construyan acumuladores con muchas placas finas y para descargas lentas se utilicen pocas placas de mayor espesor.

Además si la descarga es intermitente se logra una mayor capacidad que para una descarga continua.

Por lo tanto, la capacidad utilizable varía notablemente con las condiciones de carga y descarga. Con una intensidad moderada, un acumulador típico puede suministrar de 10 a 20 Ah por kg de placa. El rendimiento en estas condiciones puede alcanzar el 80 % de la energía cargada.

Los acumuladores que se encuentran cargados y fuera de servicio están expuestos a un proceso de autodescarga espontánea, debido a los procesos químicos internos. Esto se acentúa en verano y/o con el acumulador parcialmente cargado. Para contrarrestar este proceso se debe proveer una carga compensatoria de entre 0,5 a 3 mA por cada Ah de capacidad nominal (carga de flotación).

Incluso en estado de reposo, las baterías de plomo cargadas están sometidas a un pequeño desgaste debido a la acción del electrolito. En instalaciones normales de abastecimiento de emergencia, las placas positivas de los elementos tipo Gro duran de 10 a 15 años y las negativas el doble. Las placas positivas desgastadas se pueden cambiar por otras nuevas. En los elementos tipo OPzS las placas de ambos polos duran unos 10 años.

Para evitar la corrosión y las pérdidas de capacidad debidas a las corrientes de fuga, regularmente deben limpiarse las baterías y reponer el electrolito que se haya gasificado. Un plan de mantenimiento podría ser:

a) Medir la densidad semanalmente
b) Controlar el nivel de electrolito semanalmente, agregando agua si es necesario
c) Si no está activa, descargar y cargar bimestralmente
d) Verificar la tensión por celda trimestralmente
e) Limpiar las baterías en cada inspección

Los sistemas ininterrumpidos de energía basados en acumuladores se clasifican en dos clases de servicio típicos. En el servicio en paralelo (o a flote), el rectificador mantiene cargadas a las baterías y también provee alimentación a los consumos, conectados en paralelo con aquellas. Si los consumos son de CA se intercala un inversor adecuado. Ante la falla del suministro de la red, las baterías naturalmente pasan a entregar energía a los consumos.

En el servicio de conmutación (o de ciclado), los consumos se alimentan directamente de la red y el rectificador sólo se utiliza para mantener cargadas a las baterías, que se encuentran desconectadas de los consumos. Cuando se interrumpe el suministro de la red, se activa una llave conmutadora que conecta las baterías con los consumos, y en el caso de que éstos sean de CA se intercala un inversor adecuado.

Actualmente se emplean rectificadores a semiconductores para cargar a las baterías. Los mismos deben instalarse lejos de los acumuladores, para que no sean atacados por los gases generados. Además, como consecuencia del calor generado durante la carga, la temperatura de la batería puede aumentar en unos 15 ºC.

La forma de carga correcta es de especial importancia para la vida útil de la batería. El cargador se debe seleccionar de acuerdo con la clase de servicio y las propiedades de los acumuladores.

Para cargar baterías que prestan servicios en paralelo se utilizan cargadores regulados, que proveen una corriente de carga constante hasta alcanzar el límite superior de la tensión admisible para los receptores. A partir de allí mantienen constante dicho valor de tensión, obteniéndose corrientes de carga de valores decrecientes con el tiempo. Este proceso suele demandar muchas horas. Para este servicio resultan mas adecuadas las placas planas.

Las baterías que prestan servicios de conmutación se cargan estando desconectadas de los receptores. Para ello son apropiados los cargadores cuya intensidad disminuye a medida que aumenta la tensión. La cantidad de ciclos de carga/descarga que puede brindar el acumulador varía en forma inversamente exponencial a la energía de cada ciclo. Para este servicio resultan mas convenientes las placas tubulares blindadas.

La capacidad de los acumuladores a instalar se debe elegir de tal forma que dentro de un tiempo de descarga prefijado, se pueda tomar una corriente determinada sin superar por defecto el límite admisible de la tensión del receptor o del acumulador. Además hay que considerar el envejecimiento de las celdas y debe preverse la ocurrencia de épocas de bajas temperaturas durante su vida útil.

Se considera que una batería llegó al fin de su vida útil cuando no puede entregar el 80 % de su capacidad nominal.
Las variables que deben considerarse para determinar la expectativa de vida de una batería son muchas y se hallan interrelacionadas en una forma muy compleja. Los principales aspectos son:

a) Tipo de placas
b) Material de los electrodos
c) Temperatura de trabajo
d) Régimen de descarga
e) Sistema de carga
f) Peso específico del electrolito
g) Tamaño y costo de la batería

Todo lo dicho anteriormente hace que los fabricantes líderes ofrezcan una gran diversidad de modelos de baterías, para lograr la mayor vida útil posible en cada una de las distintas condiciones de trabajo.

Los locales en los que se instalan baterías deben tener una buena ventilación, con entrada de aire cerca del suelo. Sus puertas deben tener placas de aviso que prohíban el acceso a los mismos con elementos con llama (como cigarrillos), todos los objetos metálicos deben protegerse con pinturas anticorrosivas y los equipos en los que se formen chispas deben instalarse a mas de un metro de los acumuladores, pues a esa distancia la concentración del gas detonante (H) que se produce durante el proceso de carga es tan reducida que no existe peligro de explosión. Cabe señalar que al finalizar el proceso de carga se desprenden gases ricos en hidrógeno, que pueden formar una mezcla explosiva al combinarse con el oxígeno del aire.

Fuente: Sica

 

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