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:

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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

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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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Tipos de Electrolito en Baterias de Plomo Acido

El electrolito usado en una bateria o acumulador de plomo-acido es muy importante ya que determine la caracteristicas de funcionamiento y de uso. Existen 3 tipos de electrolitos:

Existen dentro de las baterías de Plomo Acido tres tipos de estados del electrólito, el cual es siempre una solución de Ácido Sulfúrico diluido en agua destilada. El electrolito puede estar en estado:

  • Líquido.
  • Gelificado.
  • Absorbido.

Electrólito Líquido

El Electrolito Líquido puede tener distintas densidades entre 1.215 gr.sp. y 1.300 gr.sp. El valor de densidad está definido por la conjunción de varios factores, pero uno de los más importantes es el volumen del contenedor. Dado que para una cantidad de material activo determinada hace falta una cantidad definida de ácido absoluto, en función del volumen total disponible para el electrolito, se definirá la densidad necesaria del mismo. Otros factores que entran en consideración son las temperaturas y el uso.

Electrólito Gelificado

El Electrolito Gelificado es uno de los dos sistemas que existen para la fabricación de baterías selladas. Cabe destacar que una batería es sellada, no por el empleo del Electrolito Gelificado (el que permite se realice la recombinación gaseosa), sino por el uso de la aleación de Plomo-Calcio, que dado el bajo nivel de gasificación, permite que se pueda realizar dicha recombinación. El gel se logra a través de la mezcla del Electrolito con una Sílica amorfa dando como resultado un compuesto de la consistencia de un gel.

Electrólito Absorbido

El Electrolito Absorbido es el otro sistema existente para la fabricación de las baterías selladas. Su principio de funcionamiento es idéntico al de una batería de Electrolito Líquido. La diferencia es que en este caso, el Electrolito está absorbido por el separador, el cual está compuesto por una fibra de vidrio microporosa que mantiene suspendido el electrolito, y permite la recombinación gaseosa. Esta absorción del Electrolito en el separador permite que la batería se instale en cualquier posición, sin que por ello se produzcan derrames (a veces, también se las denomina como baterías de Electrolito inmovilizado).

Dado que la cantidad de Electrolito es escasa, estas baterías no tienen tapones para reponer agua desmineralizada sino válvulas. Estas se colocan para evitar que el agua del Electrolito se evapore durante la última parte de la carga. Asimismo, todo el diseño interno está previsto para facilitar la recombinación de gases, evitando su pérdida. Otro nombre con el que suelen designarse estas baterías es por la sigla VRLA, o sea, batería de plomo-ácido regulada por una válvula, en inglés.

Las baterías de Electrolito Absorbido tienen innumerables ventajas: a la ya mencionada (instalación en cualquier posición) se agrega el bajo mantenimiento (no se debe reponer agua), el menor espacio en planta que ocupan y la posibilidad de instalarse junto a equipamiento electrónico de cualquier tipo por tener una muy baja liberación de gases.

Las precauciones a tener en cuenta se relacionan con la temperatura del ambiente (lo ideal es que esté comprendida entre 15 y 30ºC y con el cargador, que debe ser de tipo autoregulado, con tensión constante y corriente limitada.

¿Qué aplicaciones tiene una batería de Electrolito Absorbido?

Las principales aplicaciones son: centrales telefónicas fijas, celdas de telefonía celular, servicios auxiliares en sub-estaciones transformadoras, UPS (Sistemas interrumpidos de energía), iluminación de emergencia, todas ellas de tipo estacionario y algunas de tracción eléctrica, como sillas de ruedas y carros de golf.

En cuanto a qué es mejor, si el gel o el electrolito absorbido, se podría decir que ambas son igualmente buenas. En descargas rápidas de menos de 60 minutos, las baterías de electrolito absorbido son más eficientes, proveen mayor corriente para una misma capacidad nominal que una batería de gel.

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Disposición de Baterias de Plomo Acido Usadas

Cuando una batería de plomo acido llega al final de su vida útil (y en general se conviene que esto ocurre cuando su capacidad es inferior al 80% de la inicial), se convierte en un “residuo peligroso”. En otras palabras, no puede ni debe descartarse como un residuo común, inofensivo.

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Cuando una batería de plomo acido llega al final de su vida útil (y en general se conviene que esto ocurre cuando su capacidad es inferior al 80% de la inicial), se convierte en un “residuo peligroso”. En otras palabras, no puede ni debe descartarse como un residuo común, inofensivo.

¿De dónde surge esta definición? La Ley Nacional de Residuos Peligrosos Nº 24051 en su artículo segundo define: “Será considerado peligroso, a los efectos de esta ley, todo residuo que pueda causar daño, directa o indirectamente, a seres vivos, o contaminar el suelo, el agua, la atmósfera o el ambiente en general.

Tanto el plomo como el ácido sulfúrico, que encontramos en las baterías en desuso, aparecen encuadrados en la condición de residuos peligrosos.

El tratamiento que se aplica para el residuo más peligroso contenido en la batería, el plomo, es la recuperación por un proceso de refinado. El plomo que se obtiene, puede destinarse a la fabricación de nuevas baterías (en general, las de arranque de automóvil).

El ácido sulfúrico también puede recuperarse y destinarse a otros usos que no sean afectados por los contaminantes contenidos en el. Por ejemplo, puede destinarse al decapado de chapa de hierro.

¿Debo tener un lugar acondicionado especialmente para alojar las baterías en desuso?

Las baterías contienen plomo y ácido sulfúrico, dos sustancias peligrosas para el medio ambiente. Por lo tanto, es fundamental si se va a realizar un almacenamiento transitorio de acumuladores eléctricos, que el recinto cumpla con los siguientes requisitos básicos: a) piso en buen estado, que impida que cualquier derrame de ácido o de plomo tome contacto con la tierra; b) techo en buen estado, para impedir que el agua de lluvia pueda caer sobre las baterías y lavarlas; c) tarimas de madera donde colocar prolijamente los acumuladores sin que haya posibilidad de cortocircuito y d) inexistencia de fuentes de calor que puedan llevar a provocar un incendio (no olvidar que las cajas de las baterías son de plástico).

Estas son las recomendaciones para el lugar donde se alojarán las baterías en desuso. Como se ve, no se trata de un lugar con ningún “acondicionamiento especial”. Solo debe cumplir con lo básico de cualquier local de taller, comercio o depósito. El almacenamiento, como lo subrayamos más arriba solo puede ser transitorio, ya que las baterías deben ser recolectadas para su reciclaje por los fabricantes.

La ley no autoriza a un comercio o taller a convertirse en depósitos permanentes ni a realizar ningún tipo de operación o proceso sobre las baterías gastadas.

¿Les debo quitar el electrolito?

De ninguna manera se debe hacer esto. En primer lugar, porque operar sobre un residuo peligroso solo puede hacerlo quien esté habilitado para ello. Pero, dejando de lado cuestiones legales, pensemos:

a) ¿a dónde vamos a arrojar el electrolito? ¿en el cantero del arbolito de la vereda? ¿en el terreno baldío de la esquina? ¿en el desagüe cloacal o pluvial? ¿en un curso de agua? ¿en el pozo negro? ¿hace falta decir que cualquiera de estas acciones constituye un delito ambiental de la peor clase?

Y no solo por el ácido que estamos arrojando a cursos de agua o a la tierra sino también por el contenido en sedimentos de plomo que tiene el electrolito ácido de toda batería gastada. Por último, sepamos que la mezcla de ácido sulfúrico con agua puede dar lugar a una muy fuerte reacción exotérmica (es decir con desprendimiento de calor) que hace hervir instantáneamente el líquido, provocando salpicaduras terriblemente dañinas para la piel.

Sin embargo, en el caso de las baterías, pagan más si las baterías se entregan sin el electrólito, que constituye una “molestia” a la hora de fundir el metal en una instalación precaria, clandestina, a veces hasta operando a cielo abierto. Lamentablemente esto lleva a que tengamos ácido sulfúrico en innumerables desagües pluviales y cloacales y cursos de agua del Gran Buenos Aires y otros suburbios de grandes ciudades como Rosario o Córdoba.

Las pérdidas de ácido de batería, ¿las debo lavar con agua? ¿O debo absorberla con algún producto químico?

En primer lugar, jamás, bajo ninguna circunstancia, se debe arrojar agua sobre un derrame de electrolito dado que la reacción es sumamente violenta, produciéndose un importante desprendimiento de calor (reacción exotérmica) con ebullición del líquido. Una vieja frase de los profesores de Química del secundario decía “No le des de beber al ácido”. Intentar diluir con agua un derrame de electrólito, es lo peor que podríamos hacer.”

Descartado el enjuague con agua digamos que, efectivamente, lo que se debe hacer cuando hay un derrame de electrólito es contenerlo y absorberlo. ¿Y qué se puede utilizar para ello? No se debe usar aserrín de madera. Está disponible en muchos talleres y fábricas (se lo suele usar para barrer el piso) pero, nuevamente, estamos ante una situación en que lo más cómodo es lo que nunca se debe hacer: el aserrín es fácilmente inflamable y podríamos ocasionar un accidente aún peor que el del derrame.

¿Qué podemos utilizar, entonces? Si nos referimos a elementos que están disponibles sin demasiada complicación, podemos utilizar tierra o arena.

No obstante, existen algunos elementos especialmente preparados para absorber derrames de sustancias químicas, como el electrólito ácido de las baterías. En primer lugar, mencionamos los “absorbentes universales”. Se presentan en varios formatos: mangas o barreras, rollos, almohadillas y hojas y son mucho más apropiados que la tierra o la arena dado que absorben mucha más cantidad de líquido por Kg de peso. Podemos decir que son una “herramienta adecuada” para realizar esta tarea.

Otra alternativa es utilizar los absorbentes minerales que se presentan en gránulos (como las “piedritas del gato”), envasados en bolsas plásticas que aseguran una fácil distribución y uso a la vez que permiten un almacenamiento seguro. Cualquiera de estos materiales está disponible en los comercios que venden elementos de seguridad y protección personal. Por último, dado que luego de absorber un derrame con cualquiera de estas alternativas puede quedar una aureola o remanente del electrólito ácido, es conveniente pasar un trapo para terminar bien la tarea.

En el caso de electrólito ácido de baterías, lo conveniente es pasar un trapo embebido en una solución de bicarbonato de sodio (125g por litro de agua). Esto tiene un efecto de neutralización del remanente de ácido que haya quedado en el piso. El último paso sería un enjuague con agua limpia.

Ante una inspección municipal, ¿qué papeles respecto a medio ambiente y tratamiento de baterías me pueden exigir?

Cada municipio tiene reglamentaciones que deben consultarse para verificar si existe alguna que, específicamente, se refiera a los comercios o talleres que trabajan con baterías. En muchos municipios no existe ninguna reglamentación de este tipo, sino solo la general para talleres mecánicos. Con respecto al tratamiento que se les de a las baterías usadas, en caso de tener algún lote de ellas, es suficiente con demostrar que las mismas se remiten al fabricante (s) o distribuidor/importador que las provee, para que sean sometidas a su reciclado de acuerdo con lo indicado en la Resolución 544/94 de la Secretaría Nacional de Ambiente y Desarrollo Sustentable.

La resolución mencionada exime al taller o comercio de tener que utilizar manifiestos de transporte u otro tipo de documento controlado por la autoridad para el envío de las baterías.

¿Las baterías viejas, se las puedo vender al chatarrero? ¿Qué requisito debe cumplir el que me compra?

Vender una batería vieja, gastada, no es lo mismo que vender cualquier otro metal. Lo que estamos vendiendo es un residuo y, por lo tanto, se debe cumplir con la legislación específica sobre este tema. Los únicos que legalmente pueden recibir baterías gastadas son los fabricantes o refinerías de plomo habilitados.

Estos son los únicos operadores que tienen una habilitación de la autoridad ambiental para operar correctamente con estos residuos, sin dañar el medio ambiente. La autoridad ambiental que se debe consultar para ver si un operador tiene su documentación en regla es la que corresponde a la jurisdicción en la que estamos instalados. Por ejemplo, en la provincia de Buenos Aires, es el Organismo Provincial para el Desarrollo Sustentable, cuya página web es www.opds.gba.gov.ar.

En la página de este organismo debemos consultar el Registro de Transportistas y Operadores de Residuos Especiales para ver si el fabricante o refinería en cuestión tiene su habilitación vigente.

La categoría de residuos es la que se designa como Y31/Y34 (plomo y ácido) También se puede consultar la página www.medioambiente.gov.ar, correspondiente a la Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable de la Nación ya que los operadores que reciben residuos de varias jurisdicciones deben tener una habilitación nacional para operar.

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Términos y Definiciones Relacionados con las Baterías de Plomo Acido

Glosario de términos relacionados a las baterías (acumuladores) de plomo ácido.

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En la serie de entradas previas sobre las baterías de plomo acido se uso una terminología asociada al tema, que para los ajenos puede resultar un poco confusa.

Glosario de Términos Referidos a las Baterías de Plomo-Ácido

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  • A

Autonomía: Tiempo mínimo durante el cual, en caso de defecto de la fuente de alimentación primaria, el S.A.I. asegura la permanencia de la alimentación de la carga, en las condiciones de servicio especificadas, con las baterías totalmente cargadas.

Acido sulfúrico : Ver “Electrolito”.

Acumulador de plomo: Batería recargable, basada en la tecnología de plomo-ácido.

Amperio (A): Intensidad de corriente.

Amperio hora (Ah): Intensidad de corriente medida en amperios y multiplicada por el tiempo (horas) durante el cual la corriente se puede tomar desde la batería.

Antimonio: Material utilizado en aleación junto al plomo, para lograr una resistencia mecánica mayor. El antimonio también mejora las características de los ciclos de las baterías, pero aumenta el consumo del agua. La Optima 850 no contiene antimonio.

Autodescarga: La corriente que se disipa de la batería y que, al cabo del tiempo, puede dejar la batería sin energía.

  • B

Batería: Serie de elementos, conectados de forma tal que en sus terminales extremos presenten una tensión igual a la suma de las tensiones de las unidades que la constituyen.

Batería Abierta: Se denomina así, a la que está constituida por elementos que emiten libremente los gases de electrólisis, motivo por el que se le debe reponer periódicamente el agua consumida en este proceso.

Batería Estacionaria: Es una batería que habiendo sido instalada en un lugar, no es habitualmente movida de un lugar a otro.

Batería regulada por válvula (V.R.L.A.): Batería constituida por elementos regulados por válvula (ver elemento regulado por válvula).

BCI: Consejo Internacional de Baterías.

  • C

Capacidad: Número total de amperio – horas que pueden ser retirados de una batería totalmente cargada, a un régimen de descarga, a una temperatura y a una tensión de corte definidos.

Capacidad inicial (Ci): Capacidad real de la batería descargada a un régimen de 8 h, a 25 °C, hasta una tensión de 1,75 V. Deberá ser por lo menos el 90 % de su capacidad nominal.

Carga de flotación: Carga de baja magnitud aplicada en forma ininterrumpida con el objetivo de compensar las pérdidas por autodescarga, manteniendo la batería en estado de carga plena.

Contenedor: Recipiente de material inatacable por el ácido en cuyo interior se alojan las placas de ambas polaridades y el electrólito.

Coup de fouet (Latigazo): Es el fenómeno transitorio que experimenta un elemento o batería tipo plomo-ácido cuando luego de ser retirado de una carga de flotación es descargado. El mismo se manifiesta en los primeros instantes de la descarga por una merma de la tensión que disminuye hasta llegar un valor mínimo, para ascender luego y normalizarse.

Carga rápida: Recarga parcial de la batería hasta llegar a la carga completa de la misma. Se lleva a cabo en un corto periodo de tiempo y su objeto es mantener la capacidad y compensar la descarga.
CCA (Cold Crancking Amps):
Capacidad de arranque en frío. Corriente de arranque durante 30 segundos a -18ºC con una tensión final mínima de al menos 7,2V

Ciclo: Una carga y descarga.

Conexión en paralelo: Las baterías pueden conectarse tanto en serie como en paralelo. La conexión en paralelo dobla la capacidad y el voltaje permanece siendo el mismo. El esquema de conexión es el de positivas conectadas a positivas y negativas a negativas.

Conexión en serie: Conectar juntas varias fuentes de energía a través de conexiones que unan el positivo al negativo. El objetivo de la conexión en serie es incrementar el voltaje manteniendo invariable la capacidad.

Corrosión: Es el término usual para describir la gradual oxidación de las conexiones, de plomo a óxido de plomo.

  • D

Descarga a potencia constante: Descarga en el curso de la cual el producto de la tensión en los bornes por la corriente extraída se mantiene constante.

Descarga: Disipación de energía eléctrica de una batería.

DIN (Deutsche Industrie Norme): Norma industrial alemana.

  • E

Embalaje térmico (Thermal runaway): Condición crítica que se origina durante la carga a tensión constante, en la que la corriente y la temperatura interactúan entre sí generando un efecto acumulativo creciente, que podría derivar en la destrucción de la batería.

Electrolito para baterías plomo-ácido: solución formada por agua destilada o deionizada y ácido sulfúrico, cuya proporción está definida por su densidad.

Electrolito absorbido: está constituido por una solución de ácido sulfúrico que es absorbida mediante el empleo de separadores porosos fabricados con microfibras de vidrio.

Elemento de batería: (También denominado celda) Unidad electroquímica básica, formada por un ánodo, un cátodo y un electrolito, empleada para recibir, almacenar y entregar energía eléctrica. Los elementos de plomo – ácido poseen una tensión nominal de 2 V.

Elemento regulado por válvula: Elemento secundario cerrado bajo condiciones normales, pero que dispone de una válvula que permite el escape de los gases si la presión interna excede un valor predeterminado. Normalmente a su electrolito no se le pueden efectuar adiciones.

Electrólito: El liquido contenido en la batería. Este es el ácido sulfúrico diluido en agua. El electrolito transporta iones entre las placas positivas y negativas.

  • G

Grilla: Soporte conductor utilizado en los elementos de plomo-ácido para sostener la materia activa.

Gas: En los ciclos de carga y descarga de las baterías de plomo-ácido, éstas producen oxigeno e hidrógeno. Como este gas escapa fuera, disminuye la proporción de agua en la concentración del electrolito y debe ser periódica-mente repuesta.
Gases Oxígeno e Hidrógeno:
El gas oxhídrico es una mezcla de hidrógeno y oxigeno en la relación de 1:2. El hidrógeno y el oxigeno son formados por los electrodos negativos y positivos respectivamente. En baterías convencionales abiertas, estos gases se escapan a la atmósfera, pero si se inflaman en el interior de la batería pueden provocar la explosión de ésta.

Gel: En algunas baterías el electrólito está en la forma de gel. Las baterías de gel son de libre mantenimiento.

  • I

IEC: Comisión Electroquímica internacional.

  • L

Libre mantenimiento: Esto significa que no hay nunca necesidad de rellenar la batería con agua y que los electrodos no están sujetos a corrosión.

  • M

Materia activa: Material componente de las placas que reacciona químicamente produciendo energía eléctrica cuando el elemento o batería son descargados y que es vuelto a su estado original durante la carga.

Monobloc: Batería secundaria en la que los elementos son instalados en un contenedor.

  • O

Oxido de plomo: La masa activa contenida en las placas de la batería.

  • P

Pulsar la carga: El cargador de la batería controla y adapta él mismo el estado de la batería. Después de que la carga es completada, la batería es sometida a una carga de mantenimiento que no tiene ningún riesgo de sobrecarga.

  • R

Recombinación: Las reacciones químicas forman hidrógeno y oxigeno en una batería. La recombinación hace reaccionar las moléculas de oxigeno e hidrógeno formando agua.

  • S

Separador: Lámina intercalada entre las placas para evitar los cortocircuitos y retener la materia activa. Por su textura o porosidad permite el pasaje de los iones, la difusión del ácido y el desprendimiento gaseoso. En los elementos de plomo-ácido con electrolito absorbido actúa también como soporte del ácido.

Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (S.A.I.), Uninterruptible Power Systems (U.P.S.): Conjunto de convertidores, interruptores y baterías que componen un equipo capaz de asegurar la continuidad de la alimentación de la carga en caso de falla en la fuente primaria.

SAE: La norma estadounidense de medida, correspondiendo a la norma Alemana DIN.
SEN:
La norma sueca de medida, que se corresponde con SAE y DIN.

Sobrecarga: Se denomina así al hecho de seguir cargando la batería después de estar ésta completamente cargada, lo cual acorta su durabilidad.

Sulfato de plomo: Es el producto de la reacción química entre el plomo y el ácido sulfúrico, que ocurre durante una fuerte carga o descarga. Esto crea una película que cubre las placas y forma una pequeña superficie impermeable.

  • T

Tensión de corte: Es la tensión límite a la que se considera terminada la descarga de un elemento o monobloc.

Tiempo de recarga: Tiempo mínimo necesario para recargar suficientemente la batería del S.A.I. o rectificador, con su propio dispositivo de recarga, después de una descarga que brinde la autonomía requerida, funcionando en las condiciones de servicio especificadas, para asegurar una descarga idéntica a esta.

Tensión latente: El voltaje que posee la batería después de estar desconectada durante 1.620 horas.

  • U

UPS ( Uninterruptible Power Systems): Ver Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (S.A.I.).

  • V

Válvula de seguridad: Válvula autosellante que se activa si la presión de gas en la batería es demasiado alta.
Válvula reguladora de la batería:
Ver Recombinación.

Voltaje de celda: El voltaje que tiene cada celda de la batería.