Baterias de Plomo y Acido

La Corriente Continua es posible almacenar, como si habláramos de cajas o latas. ¿Almacenar? Sí. En ingenios comúnmente llamados Baterias, aunque la denominación general más apropiada es la de Acumuladores Eléctricos…

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En el mundo de hoy, la energía eléctrica es un elemento tan importante que nos cuesta imaginar la vida sin ella. Los trastornos causados en las grandes ciudades por los cortes eléctricos son un ejemplo bastante ilustrativo de esto. La energía eléctrica puede generarse de muchas maneras, pero independientemente de esto, se nos presenta de dos formas principales, como Corriente Alterna (llamada comúnmente “AC”), y como Corriente Continua (llamada comúnmente “DC”).

La AC es la que todos conocemos, ya que hace funcionar prácticamente todos los electrodomésticos de nuestras casas, la iluminación en general, etc. La DC es otra forma de administrar la energía eléctrica, que entre otras cosas, es posible almacenar, como si habláramos de cajas o latas. ¿Almacenar? Sí. En ingenios comúnmente llamados Baterias, aunque la denominación general más apropiada es la de Acumuladores Eléctricos.

Los acumuladores eléctricos tienen la característica de recibir y almacenar la energía eléctrica, siendo capaces de entregarla cuando sea requerida.

A pesar del gran esfuerzo realizado en investigación de los diferentes tipos de materiales los acumuladores o baterias de plomo-acido son las preferidas e insuperables por el amplio rango de aplicaciones que tienen. El plomo es abundante y no demasiado caro y es por esta razón es idóneo para la producción de baterías de buena calidad en grandes cantidades.

Las baterías de plomo acido están presente muy frecuentemente en nuestras vidas , ya que arrancan millones de automóviles todos los días, brindan energía de emergencia a los sistemas de maniobras de las centrales eléctricas que iluminan nuestras casas y dan energía a nuestras fabricas, mejoran la calidad y confiabilidad de las telecomunicaciones, funcionan como backup de energía de las computadoras, brindan iluminación de emergencia, son el corazón de los sistemas de alarmas, intervienen en la energía necesaria para el funcionamiento de ferrocarriles, subterráneos y aviones, empujan a miles de auto elevadores eléctricos en plantas industriales, arrancan grupos electrógenos Diesel, proveen para señalamiento y balizamiento marítimo, almacenan energía solar y eólica para su posterior uso, entre otras aplicaciones que sería muy largo de enumerar.

Esta monografía sobre las Baterías (acumuladores) de Plomo Ácido fue realizado para la cátedra de Tecnología Electronica, la consigna era investigar y defender ante todo el curso una tecnología en particular, no necesariamente sobre electrónica pura, y al encontrarnos en ese momento realizando el diseño de un circuito electronico para el control y carga (mediante paneles solares) de un sistema de baterías para aplicaciones en area rurales nos pareció oportuno ahondar sobre este tema.

A continuación el índice de los artículos:

Más Información sobre las Baterías de Plomo Ácido


Preguntas Frecuentes sobre Baterias de Plomo Acido

Listado de las preguntas básicas más frecuentes realizadas respecto a las baterias de plomo-acido.

preguntas frecuentes baterias

Generalmente cuando se empieza a estudiar las baterias o acumuladores de plomo-acido nos surgen muchas preguntas puntuales sobre las mismas. Hemos tratado de recopilar y responder las más usuales:

Preguntas Frecuentes sobre las Baterías

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Más Información sobre las Baterías de Plomo Ácido

Baterias de Plomo Acido – Principio de Funcionamiento

En esta entrada se presenta un analisis muy detallado del principio de funcionamiento de las baterias (acumuladores) de Plomo-Acido. Se explican las reacciones quimicas, y los fenomenos que ocurren al cargarse o descargarse (uso) la bateria.

Bateria william grove
Bateria De William Grove

Un acumulador (también conocidos como pilas secundarias) difiere de las pilas comunes en la forma según la cual puede regenerarse. En las pilas los materiales deteriorados en el funcionamiento deben reemplazarse por otros nuevos; en el acumulador, los materiales se regeneran enviando una corriente a través de la pila, pero en sentido contrario, quedando en su interior los productos de la reacción electroquímica.

¿Como funciona una Bateria de Plomo Acido?

El Acumulador de plomo está constituido por dos tipos de electrodos de plomo que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo (PbSO4 II) incrustado en una matriz de plomo metálico (Pb); el electrólito es una disolución de ácido sulfúrico. Esta dilución en agua es tal que su densidad es de 1.280 +/– 0.010 g/ml con carga plena, y bajará a 1.100 g/ml cuando la batería esté descargada.

El principio sobre el que se basa el acumulador de plomo puede ilustrarse con una sencilla experiencia. Dos placas de plomo se sumergen en un vaso que contiene ácido sulfúrico diluido. Las placas se conectan en serie con una lámpara incandescente y se alimenta el conjunto con una tensión continua. Cuando la corriente circula a través del elemento, se observa desprendimiento de burbujas de cada placa, pero en una de ellas el número de burbujas es muy superior al formado en la otra. Al cabo de cierto tiempo se observa que una de las placas ha cambiado su color hacia un tono chocolate, mientras la otra permanece inalterada en apariencia. Un examen cuidadoso muestra, sin embargo, que el plomo metálico de la superficie de la última placa, empezó a trasformarse en plomo esponjoso.

funcionamiento acumulador plomo acido
Fig 5. Principio de Funcionamiento

Cuando la corriente circula tal como se indica en la figura anterior, el voltímetro conectado a la pila indica aproximadamente 2,5 Voltios. Si se interrumpe la corriente, abriendo el interruptor, la lectura del voltímetro baja hasta unos 2,1 V, y el elemento es capaz de suministrar una pequeña corriente, aunque la cantidad de energía que es capaz de liberar es muy reducida. Cuando el elemento se descarga, ala temperatura entre placas decrece lentamente hasta unos 1,75 V, después de los cual decrece mas rápidamente hasta llegar a anularse, quedando el elemento aparentemente agotado. El color negro-castaño de la placa correspondiente es ahora más brillante. Después de un corto reposo, la pila se recobra ligeramente y es capaz de suministrar corriente durante breve tiempo.

La placa que adopta el color pardusco es la positiva o cátodo, mientras que la parcialmente convertida en plomo esponjoso es la placa negativa o ánodo. Las burbujas que se forman es hidrógeno libre. Cuando pasa corriente a través del elemento, el plomo metálico de la placa positiva se convierte en peróxido de plomo, mientras que en la placa negativa, aun cuando el plomo no varíe químicamente, se transforma en plomo esponjoso o poroso. Cuando se descarga el elemento, el peróxido de plomo de la placa positiva pasa a sulfato, con lo que ambas placas llegan a hacerse electro-químicamente iguales.

Cuando las placa positiva se convierte en peróxido y la negativa en plomo esponjoso por al acción de una corriente eléctrica, las dos placas son electro-químicamente distintas y, en tal caso, existe una f.e.m. Esta f.e.m. es de unos 2,1 voltios; el exceso de 0,4 voltios observado en la carga del elemento se emplea en vencer la resistencia interna y los efectos de polarización.

Las reacciones químicas que tienen lugar en un acumulador son las siguientes:

reacciones quimicas

De izquierda a derecha se muestran las reacciones que tienen lugar en el acumulador durante la carga. Cuando se lee de derecha a izquierda, muestra las reacciones que tienen lugar en la descarga

Acumulador Cargado Acumulador en Descarga Fig 6.a – Acumulador Cargado                                 Fig 6.b – Acumulador en Descarga

Durante la descarga del acumulador la corriente que se produce, provoca un cambio de condición a través de la reacción que hace que el bióxido de plomo, (PbO2), de la placa positiva al combinarse con el ácido sulfúrico, (H2SO4), forma sulfato de plomo, (PbSO4), el oxigeno, (O), liberado del bióxido de plomo, (PbO2), Al combinarse con el hidrógeno, (H2), liberado del ácido sulfúrico (H2SO4), formando agua, (H2O).  El plomo, (Pb), de la placa negativa se combina con el ácido sulfúrico, (H2SO4), formando sulfato de plomo, (PbSO4). Consecuentemente la densidad del electrólito disminuye como disminuye la tensión, hasta agotar la reserva energética del acumulador.

Acumulador Descargado Acumulador en Carga

Fig 6.c – Acumulador Descargado                           Fig 6.d – Acumulador en Carga

Cuando el acumulador se carga, la materia activa de la placa positiva esta constituida de bióxido de plomo (PbO2). La materia activa de la placa negativa esta constituida de plomo metálico en estado esponjoso, (Pb). El electrólito es una solución de ácido sulfúrico, (H2SO4) y agua (H2O).

Durante la carga la corriente que el acumulador recibe del cargador provoca la reacción inversa a la de descarga, volviendo a la condición inicial, bióxido de plomo (PbO2), placa positiva, plomo esponjoso (Pb), placa negativa y ácido sulfúrico (H2SO4) electrólito a 1.260 / 1.280 P.e. de densidad. La tensión aumenta hasta cierto valor, (2.6 Ve), superado el cual se manifiesta la electrólisis del agua que genera la separación del hidrógeno y del oxigeno que son liberadas de las placas positivas y negativas respectivamente.

Nótese que cuando el acumulador se está cargando, el cambio que sufre el electrolítico es una transformación del agua en acido sulfúrico. Como consecuencia, la densidad del electrolítico aumenta durante el proceso de carga. En al descarga, el acido sulfúrico disociado reacciona con el peróxido de plomo formando agua. Por ello, durante la descarga, la densidad del electrolítico va disminuyendo. Durante la carga se desprende hidrógeno libre de la placa negativa y oxigeno de la positiva. Debido a la naturaleza explosiva del hidrógeno, cuando una batería está en proceso de carga no debe acercársele ninguna llama.

La construcción de acumuladores con placas planas de plomo, como se ha mostrado en la experiencia, no resultaría práctica. La capacidad del elemento seria tan reducida que no seria capaz de suministrar corrientes industrialmente útiles durante intervalos de tiempo cualesquiera; además, el acumulador alcanzaría proporciones prohibitivas si se pretendiese asegurar el área de la placa necesaria.

Si en el montaje de la Fig. 5 se prosigue la carga durante un tiempo prolongado, se observa que el peróxido de plo-mo de la placa positiva se desprende en escamas que caen al fondo del vaso. Por lo tanto, en los acumuladores in-dustriales debe adoptarse algún sistema que reduzca al mínimo aquél efecto que inutiliza el material activo. Existen dos métodos para ello: el Planté y el Faure.

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Clasificacion de las Baterias de Plomo Acido

A las baterias de plomo-acido se puede clasificar según diferentes criterios, los más usuales se basan en el tipo de placas, aleacion de estas, mantenimiento requerido, etc

clasificacion baterias plomo acido

Las baterias Plomo Acido pueden subdividirse o clasificarse teniendo en cuenta distintos criterios de selección. Sin intentar cubrir todas las alternativas, los criterios de selección más importantes son

¿Como se clasifican las Baterias de Plomo Acido?


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¿Como Cargar una Bateria de Plomo Acido?

La carga de una batería es el proceso inverso de la descarga y, por lo tanto, debemos devolverle la misma energía que le fue extraída más (y aquí viene algo que solemos olvidar) un porcentaje adicional.

como cargar bateria

La carga de una batería es el proceso inverso de la descarga y, por lo tanto, debemos devolverle la misma energía que le fue extraída más (y aquí viene algo que solemos olvidar) un porcentaje adicional. ¿Por qué un porcentaje adicional y no exactamente lo que le sacamos? Porque, como toda máquina del mundo real, su rendimiento no es 1 (o 100%), si entendemos por este término a la relación entre la energía entregada en la descarga y la devuelta en la carga.

Valores típicos de rendimiento para las baterías de plomo-ácido son los siguientes: 80 a 85% para baterías de electrolito líquido o abiertas y 90 a 95% para baterías selladas. Las variaciones de estos porcentajes se deben a las distintas modalidades de carga y descarga con las que podemos encontrarnos de acuerdo con la aplicación. Dicho esto, vamos a la pregunta concreta

¿Cómo Cargamos una Batería?

La respuesta es que existen varios métodos de carga, entre los que citamos:

  • Suministrar corriente constante
  • Suministrar tensión constante
  • Suministrar una tensión creciente con corriente decreciente.

¿Y cuál es el que más conviene?

Digamos, en primer lugar, que el tercer método debería descartarse porque corresponde a cargadores muy elementales, sin ningún tipo de control electrónico. La mayoría de los cargadores de bajo costo son de este tipo y no son aptos para una batería que pretendemos que nos dure lo que nos dice el fabricante, por ejemplo, cinco años.

La mayoría de las baterías no fallan cuando se las usa como tales, es decir, entregando corriente durante un cierto tiempo. Por el contrario, se les hace daño al cargarlas con cargadores inadecuados como estos que mencionamos. Se trata de cargadores que al no tener ningún tipo de regulación, cargarán según como esté la red. En lugares donde la red esta baja, simplemente, no cargarán nada. Y cuando la red esté alta, provocarán una sobrecarga. Y, cuando la red esté normal cargarán en un tiempo mucho más largo del razonable.

Nos quedan, entonces, los primeros dos métodos. El cargador ideal es el que combina ambos métodos. A este tipo de equipo se lo suele designar como “cargador de corriente constante-tensión constante” o “cargador de tensión constante con corriente limitada”. Es muy frecuente encontrar esta denominación en los manuales de baterías.

¿Cómo funciona un cargador de este tipo?

El proceso es así: en un primer estado, al inicio de la carga, entregará corriente constante, manteniéndose así hasta que la batería alcance un determinado nivel de tensión. A partir de ese momento, el cargador pasará a un segundo estado en el que mantendrá constante ese nivel de tensión. Al mantenerse estable la tensión, la corriente comenzará a disminuir hasta que, al cabo de un tiempo, habrá llegado hasta un valor mínimo que también se mantendrá aproximadamente estable. Este será el momento de considerar cargada a nuestra batería y un cargador correctamente diseñado debería desconectarse indicando “fin de carga”.

Pero hay otra posibilidad, muy útil cuando se trata de baterías que, luego de cargadas, no serán utilizadas por algún tiempo. Esta es que, al finalizar la carga, el cargador pase a un tercer estado, también de tensión constante, pero de un nivel más bajo, denominado tensión de flotación. ¿Qué función cumple este estado de funcionamiento de un cargador? Mantiene la batería perfectamente cargada, compensando su auto-descarga. Y, entonces, estaremos seguros que, el día que la necesitemos, nuestra batería estará perfectamente cargada.

Este tipo de cargador es totalmente adecuado para cualquier batería de electrolito líquido y también para baterías selladas que se utilizan en aplicaciones de ciclado. Los valores de ajuste del mismo pueden llegar a ser diferentes según el tipo de batería a utilizar pero los estados de funcionamiento son los mismos.

¿Cómo sabremos cuando la batería ya está cargada?

Es una de las preguntas más frecuentes y engorrosas para contestar. Porque no es algo que se pueda determinar sin realizar mediciones. La primera respuesta a esta pregunta sería: “la batería estará cargada cuando hayamos devuelto los Ah que sacamos en la descarga más un porcentaje adicional debido al rendimiento de todo el proceso, por ejemplo un 10% más”.

Lo complicado es que no es fácil medir los Ah entregados. Ningún cargador de los que habitualmente se consigue mide este parámetro. ¿Y calcularlos en base al tiempo? Esto puede hacerse mientras estamos en la etapa de corriente constante (Ah entregados = corriente constante x tiempo transcurrido) pero ¿cómo hacemos el cálculo cuando la tensión se estabiliza y la corriente está disminuyendo permanentemente? No es algo fácil.

Recurriremos, entonces, a una regla práctica que da muy buen resultado. Consideraremos que la batería ha completado su carga cuando la corriente permanece estable, sin disminuir, durante un intervalo mínimo de tres horas. En las baterías con rejillas de aleación de plomo-antimonio, este valor de corriente mínima suele ser del 1% de la capacidad de la batería. Y en una con aleación de plomo-calcio, el valor es bastante menor, entre el 0,1 y el 0,3% de la capacidad, según el estado de la batería (aumenta con el envejecimiento).

Otra regla práctica, pero aplicable solo a baterías de electrólito líquido, y con nivel suficiente por encima de las placas como para poder extraer una muestra con un densímetro, es la de monitorear la densidad del mismo en la etapa final de carga y durante un intervalo de tiempo que también es de 3 horas. Si durante este tiempo, en el que la batería estará en franca gasificación y, por lo tanto, el electrólito en constante burbujeo, la densidad permanece aproximadamente estable, sin incrementarse, significa que la batería ya está plenamente cargada.

El gráfico que sigue a continuación muestra esta estabilización para el caso de la corriente de carga. Se muestra la carga a corriente constante-tensión constante y para dos regímenes de corriente constante, 0.1C y 0.2C, valores bastante típicos para cargar una batería.

carga corriente horas bateria

Lo primero que vemos es que al incrementar la corriente límite del cargador de 0,1C a 0,2C se logra una reducción significativa del tiempo de carga. En ambos casos se ha supuesto que la descarga fue completa. Se puede observar que el tiempo para completar la carga se reduce en no menos de seis horas. (considerando la estabilización de la corriente durante 3 horas) en ambos casos, la capacidad devuelta es un 105% de la nominal.

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