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.

Más Información sobre las Baterías de Plomo Ácido

Baterias de Plomo Acido – Evolucion Historica

¿Quien desarrollo la primera bateria? ¿En que epoca se comenzo con su produccion industrial? ¿Cual fue el desarrolo tecnologico que posibilito las baterias de plomo actuales? Todas estas preguntas y más respondidas en esta entrada

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

Más Información sobre las Baterías de Plomo Ácido

¿Afecta la Temperatura el funcionamiento de una Bateria?

La temperatura puede afectar el desempeño de una bateria debido a las siguientes causas:

  • Las altas temperaturas aceleran la corrosión de las rejillas y la degradación de los materiales activos.
  • A bajas temperaturas, la capacidad de entregar corrientes de arranque importantes disminuye y esto se evidencia porque al motor le cuesta más arrancar. Cuando una batería ya esté sobre el final de su vida útil, la falla se hará evidente cuando las temperaturas sean bajas (por debajo de 5-10ºC).

Sin embargo, si bien el rendimiento disminuye, una batería de plomo-acido dura más tiempo en climas fríos. Esto se debe a que todos los procesos de corrosión interna se hacen más lentos.

A la inversa, si bien “vivirán” menos tiempo, el rendimiento de las baterías se incrementa con las altas temperaturas.

Monografía sobre las Baterías de Plomo Ácido