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Baterias de Plomo y Acido

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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

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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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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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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

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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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