Baterias de Plomo Acido

Informacion sobre las Baterias (acumuladores) de Plomo-Acido, su evolucion, funcionamiento, metodos de carga, clasificacion, mantenimiento, pregunta frecuentes y mucho mas…


¿Como Medir la Capacidad de una Bateria de Plomo Acido?

ensayo capacidad bateria plomo acido

Instrumento portátil que mide valores de Capacidad, Conductividad y Estado de carga sin necesidad de realizar la descarga de la batería.

Cómo se Realiza un Ensayo de Capacidad

Generalmente después de un tiempo de uso apreciable de una batería de plomo-ácido nos solemos preguntar ¿cómo estará la batería? Existen en nuestro mercado una serie de instrumentos que permiten medir diferentes parámetros que ayudan a tener una idea del estado de una batería estacionaria,  la resistencia interna, la impedancia o, incluso, la conductancia. Sin embargo, no existe nada más efectivo para conocer el estado de una batería que llevar a cabo un ensayo capacidad.

La primera medida a tomar es la de asegurarnos que la batería se encuentre bien cargada.

La carga se debe realizar a tensión constante con corriente limitada. La tensión adecuada para realizar esta carga previa al ensayo de capacidad es de 2,4 VPC y la corriente puede estar comprendida entre el 10 y el 20% de la capacidad nominal. Suponiendo que la batería se encontraba cargada, a los pocos minutos de conectado el cargador, la corriente comenzará a disminuir. La carga se debe mantener hasta que la corriente que toma la batería se mantenga constante, sin disminuir, durante un intervalo de, por lo menos, tres horas. El valor de corriente puede ser tan bajo como el 0,2% de la capacidad (ej: para una batería de 100 Ah, la corriente será de 0,2A). A continuación la batería debe quedar en reposo durante un lapso de tiempo.

Las normas de ensayos hablan de un tiempo mínimo de una hora y un máximo de 24.

¿Qué elementos se requieren para realizar un ensayo de capacidad?

Si se trata de un ensayo para determinar la capacidad en Ah, se debe contar con una carga resistiva ajustable, que permita mantener la corriente de descarga en un valor constante a lo largo de todo el ensayo. Esto se puede lograr mediante resistencias de alambre de Kantal u otra aleación que tenga muy bajo coeficiente de variación con la temperatura. Además, como a medida que disminuye la tensión de la batería, la resistencia debe ajustarse (disminuirse) de manera que la corriente se mantenga constante, el banco de resistencias debe armarse de manera tal que permita realizar ajustes bastante “finos” una vez iniciado el ensayo. Las normas piden que la corriente se pueda ajustar y mantener con una precisión del 1% (se tolera salir de este porcentaje durante lapsos de algunos segundos mientras se logra el ajuste).

Si el ensayo pretende determinar la capacidad en Wh, lo más adecuado es conseguir un equipo UPS. En ese caso, la cosa se facilita ya que la carga que tomará la potencia de descarga se puede lograr mediante estufas eléctricas, lámparas y otros consumos de corriente alterna (siempre del tipo resistivo puro). Se debe tener en cuenta la potencia de pérdida del inversor de la UPS (el rendimiento de esta etapa de una UPS suele estar entre el 85 y el 90%, dependiendo del tamaño).

El inversor está diseñado para entregar una potencia constante a la carga y, entonces, facilita la realización de este ensayo que, de otra manera, resulta casi imposible de llevar a cabo (salvo que se cuente con un descargador automático para potencia constante, fabricado a pedido). Entendemos que la pretensión de contar con una UPS para este ensayo no es desmedida porque los usuarios que desean determinar la capacidad en Wh de un banco de baterías, en general, es porque desean utilizarlas como fuente de energía de reserva en una UPS. Para medir la tensión de las celdas o monobloques se debe utilizar un voltímetro de clase 1 (o mejor).

Para medir la corriente de descarga, se requiere de un shunt de clase 0,5 y un milivoltímetro de la misma clase 0,5 o mejor. Un buen multímetro digital (de 41/2 dígitos, por ej) es un buen sustituto de ambos voltímetros. Para medir la potencia, en descargas a potencia constante, se puede realizar un cálculo con los valores de tensión y corriente que alimentan el inversor (los instrumentos para medir potencia en forma directa son más difíciles de obtener). Otra posibilidad, si la UPS cuenta con un panel digital de medición, es tomar la potencia que indique el display e incrementarla utilizando el valor de rendimiento del inversor, como ya se mencionó (obviamente, la precisión de este método será muy inferior pero puede, de todas maneras, servir a nuestro propósito de determinar el estado de la batería para nuestro requerimiento). También es necesario contar con un termómetro con la posibilidad de apreciar 0,5ºC y escala comprendida entre 0 y 40ºC, por lo menos.

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Por supuesto, lo ideal sería contar con un termómetro digital, ya sea del tipo punta de contacto o infrarrojo. Si la batería es de electrolito líquido también hay que tener un densímetro con escala comprendida entre 1000 y 1300 g/l.

Recinto para Realizar el Ensayo

En primer lugar, debe ser un lugar aislado de cualquier otra actividad, con alguna ventilación o renovación de aire (sobre todo si la batería es de electrolito líquido), libre de polvo, de humedad no superior al 80% y temperatura lo más estable posible. Lo ideal es que esta última sea de 25ºC pero, de no ser posible, que su rango de variación esté entre 20 y 30ºC. Si bien se pueden realizar correcciones de la corriente de descarga, la densidad o la capacidad, lo más aconsejable es realizar el ensayo a temperaturas que estén lo más cerca posible de las de referencia, de manera que las correcciones sean mínimas.

Régimen de Descarga

El régimen de descarga significa elegir la corriente (o la potencia) constante a la que realizaremos el ensayo. Siempre se debe elegir un valor que figure en las especificaciones del fabricante y se acerque lo más posible al uso que nosotros le estamos dando a la batería. En otras palabras, si la batería la utilizamos en una descarga de 1h, no es aconsejable realizar un ensayo para verificar la capacidad nominal que, generalmente, viene expresada para tiempos más largos, como 8h, 10h o 20h. Busquemos, en las tablas de descarga, el valor de corriente (o potencia) correspondiente a 1h y realicemos el ensayo con este valor.

Otro dato importante a tomar de las hojas de datos es la tensión final o mínima del ensayo, o sea, cuál es la tensión a la que el fabricante especifica que el ensayo se debe interrumpir para no sobredescargar la batería. Los valores más utilizados, son 1,75VPC o 1,8VPC. En el caso de monoblocks para UPS, dado que se trata de descargas en tiempos inferiores a 1h, se suelen especificar valores de 1,67; 1,6 o incluso menores, como 1,3 VPC (Volt por celda).

Lo recomendable es realizar el ensayo a la temperatura nominal que se especifica para la batería. Es decir, 20 o 25ºC. Y que dicha temperatura se mantenga lo más estable que sea posible durante el ensayo.

Si no se puede lograr esto, entonces es inevitable realizar correcciones. Revisando las normas para baterias de plomo-acido, nos encontraremos ante dos alternativas.

La primera, utilizada por las normas internacionales (por ejemplo IEC-896/EN-60896), es registrar la temperatura real del ensayo y proceder a realizarlo como si estuviéramos a la temperatura nominal, sin corregir nada, hasta alcanzar la tensión final. Se registra el tiempo real de descarga y se calcula la capacidad que ha resultado a esa temperatura. Por último, se procede a corregir la capacidad obtenida mediante una expresión matemática. Un detalle a mencionar es que la temperatura ambiente real a registrar es la inicial del ensayo, para ensayos de hasta 5 horas. En cambio, si la duración del ensayo es superior, la temperatura a registrar es la media aritmética de todas las registradas a lo largo del ensayo.

La segunda, preferida en normas americanas (como la IEEE-1188), requiere una corrección inicial de la corriente de acuerdo con un factor k, suministrado por el fabricante o tomado de la tabla de normas como la mencionada. El ensayo se realizará durante el tiempo elegido con la corriente corregida, debiendo las celdas o batería terminar con una tensión mayor o igual a la mínima especificada para no ocasionar daños.

¿Como se realiza el Ensayo?

Primero se conecta la carga y se inicia la descarga a la corriente o potencia previstas. Si la descarga se realizará con la idea de corregir la capacidad al final, registrar las mediciones de tensión de todas las celdas o monoblocks y la temperatura de las que se elijan como piloto (por ejemplo, una celda cada 6 o cada 12) a lo largo de la descarga, como mínimo, al 0%, 10%, 20%, 50% y 80% de la duración esperada para la misma. A partir de este último porcentaje, se deberán tomar lecturas que permitan determinar con exactitud el pasaje por la tensión final o mínima.

La duración esperada, para no equivocarse, puede tomarse como la que figura en las tablas del fabricante para la temperatura de referencia, con un porcentaje en más (si la temperatura es mayor que aquella) o en menos (si la temperatura es menor) igual a la diferencia entre la temperatura real y la de referencia. Por ej, si no hay más remedio que realizar el ensayo a 15ºC y la temperatura de referencia es 25ºC, la duración esperada del ensayo será la que hemos elegido (por ej 5h=300 minutos) menos un 10% (que surge de la diferencia: 25 – 15). O sea, 270 minutos. Pero, reiteramos, esta es una duración esperada: el ensayo se debe cortar cuando alguna celda o monoblock llega a la tensión final fijada.

Si la descarga se realizará corrigiendo de entrada la corriente de descarga, efectuar esta corrección de acuerdo con el factor k y proceder de la misma manera que en b) pero, ahora, la duración esperada es la que se ha elegido (1h, 5h, etc.). Al cumplirse este tiempo, las celdas o monoblocks deberían estar por encima del valor de tensión mínimo. Recordar que es importante seguir de cerca la caída de tensión de las celdas o monoblocks a partir del momento en que llegamos al 80% del tiempo de descarga.

Corrección de Capacidad según Normas Internacionales

C25 = Ct / [ 1 + λ (T – 25) ]

Siendo C25 la capacidad a la temperatura de referencia 25ºC y Ct la capacidad calculada con los datos obtenidos en el ensayo a la temperatura T.

Por su parte el coeficiente k de las normas IEEE, asume los valores típicos que figuran en la tabla siguiente (la corriente de descarga a la temperatura indicada se obtiene dividiendo la corriente de la tabla del fabricante a la temperatura de 25ºC por este factor).

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Aplicaciones de las Baterias de Plomo Acido

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Las baterias o acumuladores de Plomo Acido pueden clasificarse de acuerdo a la aplicación para las cual se encuentra destinada.

Tipos de Baterías Según su Aplicación

En este tipo de clasificación tendremos:

Baterías Automotrices

Destinadas al arranque de automotores. Tienen que ser capaces de descargar el máximo de corriente posible en un corto espacio de tiempo manteniendo un alto voltaje. Tienen que ser capaces de aguantar muchas descargas incluso con cambios fuertes de temperatura. El peso, el diseño y la forma son también características determinantes.

Para poder cumplir su tarea principal que es arrancar un motor, se necesita mucha energía en un periodo corto de tiempo. Las baterías de arranque tienen generalmente una baja resistencia interna.

Esto puede lograrse con una gran área de superficie de electrodo, un pequeño espacio entre placas y unas conexiones “heavy-duty” (resistentes a duros servicios) entre celdas.

Funciones de la batería automotriz.

  • Proporcionar energía al motor (“burro”) de arranque, el sistema de inyección y el sistema de ignición, para encender el motor.
  • Ofrecer energía adicional cuando la demanda eléctrica del vehículo excede la que puede proporcionar el alternador.
  • Proteger el sistema eléctrico, estabilizando la tensión y compensando o reduciendo las variaciones que pu-dieran ocurrir dentro del sistema.

Baterías de Tracción

Es una batería que ha sido diseñada para soportar un alto ciclado. Es decir una gran secuencia de descargas, seguidas de las correspondientes recargas. Obsérvese que, una batería para uso estacionario, tendrá conectado un cargador (que, a su vez estará conectado a la red pública de alterna) por lo cual su descarga será muy baja. En cambio, una batería que alimenta un vehículo eléctrico, como un autoelevador eléctrico, todos los días tendrá un ciclo de descarga, mientras la máquina se encuentra trabajando, a lo que seguirá una carga durante el tiempo en que el operador descansa. Es decir, las baterías de tracción están sujetas a una constante y relativamente pequeña descarga, durante largos periodos de tiempo, lo que supone un alto grado de descarga. Hay que procurar recargarlas, preferiblemente de 8 a 16 horas cada día antes de que se vuelvan a descargar.

Se utilizan para entregar energía utilizada directamente para dar movimiento a un equipo, como ser un autoelevador eléctrico, una locomotora de minas, un carro de golf, etc.

Las baterías de tracción tienen electrodos muy gruesos con rejillas pesadas y un exceso de material activo.

Baterías para Energía Solar y Eólica

Almacenan energía eléctrica como resultado de la transformación de la energía solar o eólica.

Baterías Estacionarias

Para usos en comunicaciones, señalamientos, alarmas, iluminación, accionamiento, etc. Las baterías estacionarias están constantemente siendo cargadas y se debe tener cuidado de evitar que se sequen.

Se mantienen permanentemente cargadas mediante un rectificador auto-regulado. Este rectificador puede, también, alimentar a un consumo, como en el caso de las centrales telefónicas, o a otro equipo de conversión de energía, como en el caso de las UPS. En los sistemas de iluminación de emergencia, en cambio, el rectificador sólo alimenta a la batería. En cualquier caso, lo importante es que la batería se descarga con muy poca frecuencia y el rectificador debe recargarla, luego de una descarga, y mantenerla perfectamente cargada, compensando la auto-descarga interna. El Electrolito y el material de la rejilla del electrodo están diseñados de forma que se minimice la corrosión.

¿Qué tipos de baterías se usan?

Las baterías para aplicaciones estacionarias pueden ser de cualquier tecnología. No obstante, en el caso de optarse por Electrolito Líquido, se recomienda que las rejillas sean con aleación de Plomo-Calcio para que la reposición de agua destilada sea poco frecuente. Las placas pueden ser tanto planas como tubulares. Sin embargo, dado que el uso estacionario supone una baja frecuencia de descarga, las baterías de placas planas son las más convenientes por un tema de costo. Y la combinación ideal sería placas planas y Electrolito Absorbido dado que el costo es bajo y el mantenimiento muy reducido.

Baterías para U.P.S.

Para altas corrientes instantáneas o descargas menores de 60 minutos.

Con todo lo dicho anteriormente, nos damos cuenta, luego de esta reducida introducción, que para cada aplicación y condición de uso existe una batería adecuada.

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Baterias de Plomo Acido – Evolucion Historica

bateria de bagdad

Batería de Bagdad

La bateria de plomo acido, tal como la utilizamos en la actualidad, es el fruto de las investigaciones y el desarrollo de muchos científicos e ingenieros en el campo de la electroquímica.

La civilización occidental en general sostiene que Conde Allessandro Volta fue el primero en desarrollar una batería simple (Fig 1), en 1800. Sin embargo, una tinaja pequeña, que fue encontrado en las ruinas de un antiguo asentamiento, cerca de Bagdad, parece predecir a la batería de Volta en cerca de 2000 años.
Esta tinaja tiene un sello de asfalto en la tapa, y tiene una barra de hierro con un cilindro de cobre alrededor de él. En las reproducciones de la jarra se pudo apreciar que al ser llenada con un ácido como el vinagre, se producen aproximadamente 2 voltios de electricidad. Se cree que se utilizaba para galvanizar objetos pequeños, mediante la galvanoplastia, plata u otras joyas podrían ser recubiertas con oro, o cobre recubierto de plata. (1745 – 1827)

Alessandro Volta al descubrir la batería galvánica inicia la línea de investigación. Su descubrimiento fue publicado con el título “Acerca de la electricidad generada por el mero contacto de sustancias conductoras de diferente tipo”.

bateria de Volta

Fig 1. Bateria de Volta

En 1802, N. Gautherot descubre la polarización de alambres de platino, producida por el pasaje de corriente eléctrica a través de una celda que utilizaba para estudiar la descomposición del agua. Encontró que se generaba una corriente muy débil cuando desconectaba la fuente de corriente y conectaba los alambres de platino a una carga.

Y un año después, en 1803, J.W. Ritter repite las experiencias de Gautherot y avanza un paso más. Construye pequeñas pilas con placas de diferentes metales, incluyendo oro y plata. Entre las placas de metal, ubica capas de tejido humedecido. Luego de entregar corriente a estas placas durante un tiempo, obtuvo una corriente de descarga al retirar la fuente de corriente y conectar su dispositivo sobre una carga.

Podemos citar también a William R. Grove (1811 – 1896), conocido por su batería gaseosa y cuyos experimentos son el antecedente de las actuales celdas de combustible, dispositivos en los que actualmente se invierten miles de millones de dólares en investigación y que están llamados a tener una enorme importancia como fuente de energía en los próximos cinco a diez años. Por su importancia actual, describiremos, entonces, el experimento de Grove. Cada celda de su batería constaba de un par de tubos de vidrio, con un electrodo coaxial al eje de los mismos. Los tubos se sumergían en una solución de ácido sulfúrico y, por su extremo superior, cerrado, pasaba el electrodo de platino. El otro extremo, abierto, estaba sumergido en la solución.

Uno de los tubos de cada par se llenaba con oxígeno y, el otro, con hidrógeno. Grove encontró que el alambre de platino correspondiente al hidrógeno asumía una polarización positiva con relación al alambre de platino que estaba en el tubo con oxígeno. La celda era reversible pues producía electricidad en situación de descarga y, si se hacía pasar corriente desde una fuente externa, se generaban los gases que ya mencionamos.

Es importante destacar, que a pesar de lo interesantes que pudieran parecer estos fenómenos, no se encontraba demasiada utilidad a este tipo de dispositivo de almacenamiento. En efecto, para cargarlo se debían utilizar celdas del mismo tipo o celdas primarias (pilas o celdas no reversibles). No nos olvidemos que todavía no se habían inventado las máquinas eléctricas.

Otros experimentadores incursionaron en este campo, pero fue un científico francés de 26 años, Gastón Planté (1834 – 1889), el primero en desarrollar un dispositivo que sentó las bases de la celda de plomo acido, tal como la conocemos hoy en día.

Planté comenzó sus estudios en 1859 y, un año después, presentó en la Academia de Ciencias de Francia la primer batería de plomo ácido para el almacenamiento de energía.

Su batería constaba de nueve celdas conectadas en paralelo, puesto que el énfasis estaba puesto en la obtención de una corriente importante, cosa que hasta ese momento no se había podido lograr con las celdas primarias, que también conocemos como pilas. A su vez, cada celda consistía en dos hojas de plomo, separadas por cintas de goma. Todo el conjunto se enrollaba en forma de espiral y se sumergía en una solución que contenía ácido sulfúrico diluido al 10% en agua.

Además, Planté descubrió que la capacidad de almacenamiento de las celdas se incrementaba sustancialmente cuando se las sometía al proceso que conocemos como “formación” y que, hoy en día, es parte del proceso de producción de cualquier acumulador electroquímico. Después de un período de carga, descargaba la celda y luego repetía nuevamente el proceso de carga. Observó que a lo largo de estos ciclos, la capacidad de almacenamiento se incrementaba significativamente.

Sin embargo, a pesar de su capacidad para entregar corrientes importantes, la nueva batería de almacenamiento de Planté también tenía la desventaja de requerir un gran tiempo de formación y la descarga de muchas celdas primarias (pilas) para cargarla. No fue sino hasta 13 años después, cuando Planté pudo contar con un generador manual (desarrollado por el científico alemán Zénobe Theophile Gramme 1826 – 1855) para poder realizar el proceso de carga, que fue posible lograr la transformación de una forma de energía en otra.

La energía mecánica, utilizada para dar vuelta la manija del generador de Gramme, se transformaba en energía química almacenada en la batería. Cuando la batería ya estaba cargada y se dejaba de actuar sobre el generador, si se mantenía la conexión entre ambos, podía observarse como el generador comenzaba a girar como un motor, accionado por la energía almacenada en la batería.

La energía química se convertía en electricidad, que el motor transformaba nuevamente en energía mecánica. El ciclo de transformaciones había sido completado.

El nombre de Gastón Planté se recuerda hoy en día asociado con la placa que lleva su nombre. Esta placa consiste en una hoja de plomo sobre la cual el material activo se forma en forma electroquímica a partir del plomo de la propia placa.

bateria de plante

Fig 2. Batería de Plante

La imagen que se muestra arriba corresponde a una típica celda con placas Planté, utilizada durante muchos años en aplicaciones estacionarias, con celdas en serie y paralelo, formando conjuntos de hasta 440V y capacidades de varios miles de Ah. (centrales telefónicas paso a paso, servicios auxiliares de sub-estaciones transformadoras, etc). La jarra es de vidrio y, como se observa, se encuentra abierta en su parte superior. Por esta razón, las salas donde se instalaban este tipo de celdas requerían de ventilación forzada, sobretodo al funcionar en situación de recarga.

Continuando con el desarrollo, llegamos al año 1881, cuando el científico francés Camille Alphonse Faure (1840 – 1898) patenta un proceso para empastar la superficie de las placas con un compuesto de plomo que se transformaba con mucha facilidad en los materiales activos de la batería terminada. Faure aplicó una capa de óxido rojo de plomo a la superficie de placas de plomo puro. Posteriormente enrolló las placas con un separador intermedio de género. Este tipo de celda demostró tener una marcada superioridad en capacidad y tiempo de formación sobre la de Planté. Sin embargo, su punto flojo resultó ser la adherencia del material activo a la placa base de plomo.

Casi en forma simultánea con Faure, el alemán Volckmar patentó el empleo de placas de plomo con numerosos orificios que se llenaban con una pasta hecha con plomo pulverizado mezclado con ácido sulfúrico. Y dos ingleses, Swan y Sellon también obtuvieron patentes para una placa con aspecto de rejilla y estructura celular. La de Sellon, en particular, estaba diseñada de una forma que aseguraba con mucha firmeza el material activo en su posición. Además, Sellon fue el primero en utilizar una aleación de plomo con antimonio (en lugar de plomo puro) para fabricar la rejilla.

A partir de estas mejoras sobre los trabajos de Planté, el desarrollo de la batería de plomo ácido fue muy rápido, debido al menor tiempo requerido para la formación de las placas y, también, es fundamental decirlo, por el desarrollo paralelo de las máquinas para generar corriente eléctrica. Mientras no existieron máquinas eléctricas, la formación o la carga de una batería era algo muy difícil (se hacía fabricando pilas que luego se descargaban sobre la batería).

Otro ingeniero de gran importancia en el desarrollo de las baterías de plomo ácido que no podemos dejar de mencionar es Henri Tudor (1859 – 1928), nacido en Luxemburgo, el mismo año en que Planté avanzaba en las investigaciones de la primer batería de plomo ácido. La creatividad de Tudor llevó al perfeccionamiento de la batería de plomo ácido y de varias maquinarias eléctricas de reciente invención.

En 1881, cuando todavía era un estudiante de apenas 22 años, fabricó baterías como las de Planté y Faure y las vinculó a un dinamo, también de su propio diseño. La fotografía siguiente muestra estas primeras placas para acumuladores concebidas por Tudor. A su vez, el eje de la máquina eléctrica era accionado por un molino de agua en el castillo de su familia, en la ciudad de Rosport.

placas de tudor

Fig 3. Placas de Tudor

El sistema suministró electricidad a la casa familiar durante 16 años, mucho antes que tuvieran electricidad otros castillos famosos como el de Windsor y probablemente haya sido el primer sistema hidroeléctrico completo que funcionó en forma continua.

En 1886, junto con su hermano Hubert, Henri Tudor llevó a cabo el proyecto que le permitió proyectarse al mundo como un innovador en tecnología y como empresario: construye una usina eléctrica en la ciudad luxemburguesa de Echternach con la que brindó iluminación a 120 viviendas y a las calles de la ciudad. Para producir el equipamiento necesario para cumplir con el contrato en Echternach, los hermanos Tudor se asociaron con su primo Nikolas Schalkenbach, abriendo una pequeña fábrica en Rosport

Podemos decir, entonces que el gran mérito de Tudor fue convertir un producto de laboratorio, como lo eran las baterías de Planté y Faure en un verdadero producto industrial, capaz de ser fabricado en serie. Impresiona saber que en 1890, ya había más de 1200 baterías Tudor funcionando en la mayoría de los países de Europa y en Argentina. El crecimiento de las empresas Tudor fue continuo año tras año, llegando a dar empleo a más de 25000 empleados.

A principios del siglo XX, la batería de plomo ácido ya era un producto ampliamente utilizado en muchas aplicaciones, desde tracción hasta iluminación y telefonía. Pero fue su incorporación como elemento indispensable para el arranque de automóviles lo que llevó al crecimiento notable de la industria de fabricación de baterías.

Es de destacar que, casi en forma paralela a la batería de plomo ácido, tanto en Europa (Jugner, Suecia, 1889) como en USA (Edison, 1904) se había desarrollado la batería alcalina de níquel-hierro (antecesora de la actual de níquel-cadmio). Sin embargo, la abundancia de plomo en este último país y el crecimiento de la fabricación de automóviles rápidamente volcaron la balanza a favor de esta última tecnología. Y algunos fabricantes introdujeron importantes mejoras, como el separador de goma y la utilización de componentes adicionales (lignino) que facilitaba el empastado de las placas negativas.

En este sentido, destacamos los aportes mencionados, realizados por la marca Willard en 1915 y1920, respectivamente. En lo que hace a las baterías industriales, en 1910 la marca Exide (palabra derivada de la contracción, en inglés, de “exotic” y “oxide”) patenta una verdadera innovación, la placa tubular y su uso mejora notablemente el desempeño de las baterías que se utilizan en tracción eléctrica y, en general, en las aplicaciones donde se realiza un ciclado intenso de la batería (es decir, donde se la somete a sucesivos ciclos de carga y descarga).

La figura muestra una sección (mitad derecha) de una placa tubular Exide, de 15 tubos, de sección cuadrada, en el momento actual.

Placas Tubulares Exide

Fig 4. Placas Tubulares Exide

Otros fabricantes, emplean tubos de sección circular con resultados similares. Una placa tubular consiste en un peine de plomo, con el material activo (bióxido de plomo de granulometría muy fina) dispuesto en forma anular alrededor de cada espina del peine.

Para contener el material en esta posición, se emplean tubos de un material permeable al electrolito (hoy en día se emplea la fibra de vidrio). El cierre de los tubos (parte inferior de la figura) se realiza con una barra de plástico (color azul) con un encastre en cada tubo.

Allessandro Volta Gaston Plante Henri Tudor

Allessandro Volta              Gastón Planté                          Henri Tudor

William Grove Zenobe Gramme

William-Grove               Zenobe Gramme

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Tipos de Placa en las Baterias de Plomo Acido

Existen dentro de las baterías (o acumuladores) de Plomo-Acido 3 tipos de placas básicas:

  • Placas Planas empastadas.
  • Placas Tubulares.
  • Placas Planté.

Placas Planas Empastadas

La placa plana empastada, la cual puede tener distintos espesores, esta formada por: una rejilla plana de aleación de plomo la que sirve de conductor de la corriente que entra y sale de la placa y de soporte mecánico del material activo y por el propio material activo que es el que reacciona con el electrólito para dar como resultado corriente eléctrica. Esta placa puede ser de distintas superficies y espesores lo que definirá su capacidad que estará relacionada con el volumen, densidad y composición del material activo presente en la misma.

Es posible tener en un mismo volumen una batería con muchas placas finas o menor cantidad de placas gruesas, en función de la cual la batería será en el primer caso, de altas corrientes de arranque por tener una importante superficie especifica ( mm de placa/volumen de placa ) ó en el segundo caso, una batería para descargas más lentas.

placa empastada

Fig 6. Placas Empastas

En una descarga rápida, la alta corriente que se le exige a la batería se opone a la inercia de la reacción química entre el material activo y el electrólito, por lo que se produce una caída de tensión momentánea motivada por la falta instantánea de electrólito en los poros de las placas finas, ya que para una corriente fija la alta superficie especifica compensa esa inercia química. En una batería de descarga lenta el material activo tiene tiempo suficiente para reaccionar con el electrólito por lo que pasa a ser prioritario darle a la placa un espesor tal que asegure una alta vida ya que cuanto más gruesa es la placa menos se corroe a lo largo del tiempo como consecuencia del paso de la corriente de flote y de la acción del ácido sulfúrico.

Debe tomarse en consideración que, si la corriente es la que produce la corrosión de la placa y como las baterías de Plomo-Calcio se tienen corrientes del orden del 10 % de las de Plomo-Antimonio, podrá utilizarse placas más finas para iguales expectativas de vida.

La composición de la pasta que se utilice para el empastado de la rejilla, dependerá de si la batería esta diseñada para trabajo en flote, ciclado profundo o arranque.

Esto se logra modificando las proporciones de todos los elementos que intervienen en la producción de la pasta. En el caso de baterías de arranque con alta corriente instantánea, las rejillas que forman las placas son radiales para una mejor conductibilidad de la corriente, mientras que en una batería de tipo estacionario el trabado de la rejilla es más importante ya que se debe evitar que se desprenda el material activo a medida que transcurre la vida útil de la batería y/o luego de una descarga profunda.

Placas Tubulares

La placa tubular está formada por una rejilla en forma de peine que sirve como conductor de la corriente eléctrica, un tubo que contiene el material activo y el propio material activo. Estas baterías tienen la particularidad de soportar gran cantidad de ciclos profundos debido que por su construcción el material activo no puede desprenderse de la rejilla. La pasta debe ser también preparada para este ciclado profundo, al igual que en las placas planas el espesor de las rejillas definirá la vida de las placas en condiciones de flote.

placas tubulares

Fig 8. Placas Tubulares

Se utilizan aleaciones de alto contenido de antimonio por lo que estas baterías no son de libre mantenimiento. Su uso más frecuente es en auto-elevadores eléctricos, energía solar y eólica. Los diseños varían según se utilicen placas tubulares de perfil cuadrado, se logra una mayor superficie específica por lo que se tendrá la misma capacidad en menor volumen. Estas baterías son óptimas para aquellas aplicaciones de gran cantidad de ciclos (1 diario) de corriente moderada, donde se le ocasiona a la batería un ciclo de descarga profunda.

Placas Planté

La placa planté está fabricada con una placa plana de plomo sobre la que se forman los óxidos como consecuencia de un proceso electroquímico de formación. Son generalmente placas de varios mm de espesor y soportan una cantidad de ciclos intermedia entre la batería de placa plana y la de tipo tubular. Es un tipo de placa para descargas lentas por tiempos de entre 5 y 10 hs. Generalmente son baterías pesadas y de volumen considerable, siendo su costo elevado.

placa ranurada gould

Fig 9. Placa Ranurada Gould

En el sistema Planté el material activo de las placas se forma a partir del plomo metálico, haciendo pasar la corriente a través del elemento, primero en un sentido y luego en sentido contrario. Este proceso transforma el plomo de la superficie de las placas en material activo.

Existen dos tipos de placas Planté. En el tipo Gould (Fig. 9), se parte de una placa lisa de plomo que se somete a un proceso de ranurado con el que se obtienen películas finas con un núcleo interno de plomo macizo, y la placa se coloca entonces en una solución oxidante y se carga. Este proceso hace que se forme el peróxido de plomo activo sobre los nervios, que se distingue por el material oscuro que queda entre ellos (figura inferior).

En el tipo Exide Manchester, indicado en la Fig. 10, se ha construido en emparrillado de plomo y antimonio. El material activo consiste en cintas acanaladas de plomo, arrolladas en especial e introducidas a presión en las perforaciones de la parrilla. El peróxido tiene un volumen muy superior al plomo del cual procede. Por tanto, cuando el acumulador está cargado, dichas especiales se expansionan, con lo cual quedan aún más fijadas a la placa.

Placas exide manchester

Fig 10. Placas Exide Manchester

En todos los acumuladores, el número de placas negativas es superior en una unidad al de positivas. Ello permite que las placas positivas sean activas por ambos lados. Si las placas fueran activas por un solo lado, la dilatación del material activo, que tiene lugar cuando se convierte en peróxido durante la carga, haría que la lámina se abarquillase.

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Tipos de Aleaciones en Placas de Baterias de Plomo Acido

Generalmente las distintas rejillas que forman las placas de una batería están fabricadas con aleaciones de Plomo. Esta aleación del Plomo con distintos elementos aseguran que la rejilla tendrá una mayor capacidad de tolerar el ataque de agentes externos, como ser el Ácido Sulfúrico y la corriente, con respecto a una rejilla de Plomo puro, y le dará a la misma la rigidez mecánica necesaria.

En una aleación de Plomo intervienen muchos elementos, sin embargo, se reconocen a las aleaciones con el nombre de alguno de ellos. Así se tiene:

  • Aleaciones de Plomo-Antimonio
  • Aleaciones de Plomo-Selenio
  • Aleaciones de Plomo-Calcio

Aleaciones de Plomo-Antimonio

aleacion plomo antinomio

La aleación de Plomo-Antimonio es una de las más antiguas dentro de la fabricación de baterías. El porcentaje de Antimonio puede variar para distintos usos, estando entre el 10 al 2.5 %. A medida que el Antimonio se acerca a valores del 10 % se aumenta la posibilidad de ciclado de la batería, pero también aumenta la gasificación y el consumo de agua.

Este tipo de baterías son de alta resistencia interna y alta corriente de flote, la cual aumenta a medida que envejece la batería, debido al envenenamiento que se va produciendo en la placa negativa, producido por la migración del ión Antimonio desde la placa positiva. No es factible fabricar baterías de libre mantenimiento y mucho menos sellada con este tipo de aleación y su uso es recomendado únicamente a baterías de ciclado profundo, como ser: para auto-elevadores, energía solar y eólica.

La evolución tecnológica con sistemas cada vez más automáticos y en la búsqueda de reducir el mantenimiento y la contaminación ambiental, obligó a los fabricantes de baterías a buscar alternativas de bajo y libre mantenimiento, llegándose a las baterías de Plomo-Selenio y Plomo-Calcio respectivamente.

Aleaciones de Plomo-Selenio

aleacion plomo selenio

La aleación conocida como Plomo-Selenio es una aleación de Plomo-Antimonio entre el 1 y 2 %. En este tipo de aleación, la única función que cumple el Selenio es lograr que la baja cantidad de Antimonio presente en la aleación se encuentre de manera uniforme, cosa que no sería viable sin su aporte, y traería como consecuencia una rejilla quebradiza y sin las propiedades físicas y eléctricas necesarias.

Las baterías fabricadas con este tipo de aleación tienen menor gasificación que una fabricada con alto contenido de Antimonio, y soportan menos ciclados. Existe gran confusión sobre si las baterías de Plomo-Selenio son de libre mantenimiento o no. La respuesta es una de las más utilizadas en Ingeniería: “depende”.

Si la batería de Plomo-Selenio se utiliza en un auto, en donde la batería recibe la carga de un alternador 2 ó 3 hs. al día, entonces, esta batería se comportaría como una batería de libre mantenimiento ya que no requerirá agregado de agua. Se puede decir que en un uso automotriz promedio, la batería de Plomo-Selenio es una batería de libre mantenimiento. Cuando esa misma batería es aplicada a un uso estacionario como ser, iluminación de emergencia, alarma, UPS u otras aplicaciones en donde la batería recibe corriente de mantenimiento de carga durante las 24 hs del día, este tipo de batería pasa a ser de bajo mantenimiento quedando como única alternativa de libre mantenimiento la batería de Plomo-Calcio.

Aleaciones de Plomo-Calcio

aleacion plomo calcio

En la aleación de Plomo-Calcio no existe la presencia de Antimonio, el cual es suplantado por una proporción mucho menor por el Calcio, dándole a la placa las mismas propiedades mecánicas. Esta aleación es óptima para baterías que estarán funcionando como sistemas de emergencias, en donde la mayor parte del tiempo se encuentran en una condición de carga de flote con auto-descarga más baja que cualquier otra aleación, por lo que la corriente de flote por cada 100 Ah de capacidad, en 8 hs se mantiene en valores de unos pocos mili-Amperes, reduciendo la gasificación a valores despreciables. Además, al no haber presencia de Antimonio en la batería, no se produce el envenenamiento de la placa negativa a lo largo de su vida, por lo que la resistencia interna y la corriente de flote permanece invariable durante toda la vida útil de la batería.

Estas propiedades de la aleación de Plomo-Calcio son las que la hacen imprescindibles para la fabricación de baterías selladas de gel o electrolito absorbido, ya que cualquier aleación con una mínima presencia de Antimonio provocará, durante su vida útil, un progresivo aumento de la gasificación deteriorando las relaciones estequiométricas necesarias para la recombinación gaseosa que debe llevarse a cabo en el interior de la batería, con la consecuente pérdida de capacidad y expectativa de vida de la misma.

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