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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