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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


Baterias de Plomo Acido – Principio de Funcionamiento

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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Mantenimiento Requerido por Baterias de Plomo Acido

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Éste es un ítem donde normalmente el usuario está más indefenso frente a lo que ofrece el mercado, ya que como primera medida no hay una clara definición de lo que es el libre mantenimiento. Para el usuario de una batería automotriz el libre mantenimiento representa no tener que ocuparse nunca de la batería (agregarle agua) durante toda la vida útil de la misma (3,5 años).

Este objetivo puede lograrse en una batería de Plomo-Selenio; pero esta misma batería en un uso estacionario (10 a 20 años) ya no será de libre mantenimiento ya que necesitará el agregado de agua en forma periódica.
Además, si el único objetivo es no agregar agua, se puede fabricar una batería de alto contenido de Antimonio (alto consumo de agua) y calcular cuánto electrolito deberá haber por sobre las placas para que nunca sea necesario el agregado de agua, pudiendo llegar a valores ridículamente desproporcionados; pero nadie se pregunta:

¿A dónde se fue el agua que gasificó la batería?

La gasificación de la batería es en forma de Oxígeno e Hidrógeno. El Oxígeno es un elemento oxidante y el Hidrógeno, en ciertas proporciones, forma con el aire una mezcla altamente explosiva. Además, ambos gases salen de un medio ácido altamente corrosivo por lo que la presencia de estos gases en el ambiente no siempre es aceptable, más aún cuando se trata de equipamiento electrónico. Cabe destacar que a medida que se consume agua, aumenta la densidad del electrolito haciendo al medio cada vez más agresivo para los componentes de la batería, reduciendo su expectativa de vida. En la actualidad se debe considerar a una batería como libre mantenimiento si su gasificación es nula o despreciable en una condición normal de uso. En general y sin tratar de entrar en casos de uso particular, una batería estacionaria puede ser de diferente tipo.

Tipos de Mantenimiento Requerido

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Con Mantenimiento

  • Si es de alto contenido de Antimonio.

Mantenimiento de Acumuladores (baterías)

  • Si el mantenimiento de la batería ha sido el correcto, puede durar cinco o más años.
  • El echar agua natural en vez de destilada, aporta impurezas que perjudican a la batería.
  • Cuando se cambie una batería, hay que poner en su lugar otra de igual o mayor capacidad.
  • Para conectar una batería, primero se conecta el borne positivo y luego el negativo, y para desconectarla, primero se retira el borne negativo y después el positivo.

Para conservar las baterías en perfecto estado se deben de hacer las siguientes cosas:

  • Si el nivel del electrolito es bajo, se añadirá agua destilada, no debe utilizarse agua natural, pues produce impurezas que pueden corroer las placas, entre otras cosas perjudiciales.
  • Nunca debe rellenarse la batería con ácido.
  • Vigilar el nivel del Electrolito y no rellenarlo en exceso cuando proceda a rellenarlo.
  • Deben de mantenerse limpios los respiradores de los tapones de llenado.
  • Los bornes deben limpiarse periódicamente y engrasarlos con vaselina.
  • La batería debe estar bien sujeta para evitar golpes y vibraciones excesivas.
  • No dejar nunca herramientas sobre la batería.
  • Si se quiere almacenar una batería durante algún tiempo, debe de almacenarse completamente cargada.

¿Cómo alargar la vida de mi batería?

  • Mantenimiento periódico. Verificar el nivel de agua.
  • Chequear periódicamente el sistema de carga del automóvil o vehículo (alternador y regulador de voltaje) para evitar sobrecargas y descargas.
  • Evitar que la batería permanezca sin recibir carga por períodos prolongados, ya que el proceso de auto-descarga, propio de todas las baterías, terminará por dañarla en forma irreversible.

Bajo Mantenimiento

  • Si es de Plomo-Selenio.

Son aquellas que requieren alguna reposición de agua desmineralizada para mantener el nivel del Electrolito, de tal manera que siempre esté por encima (unos 5mm) de la parte superior de las placas. Para realizar la operación de agregado de agua desmineralizada, se deben retirar los tapones plásticos ubicados sobre la tapa de la caja de la batería.
Las rejillas de las placas de estas baterías están constituidas por una aleación de Plomo-Antimonio y sometidas a una tensión de carga = 14,5 V consumen 2,2 gramos de agua por ampere-hora, aproximadamente.

Libre Mantenimiento

  • Si es de Plomo-Calcio.

Batería sin mantenimiento es el nombre genérico dado a la batería producida con una tecnología que reduce significativamente el consumo interno de agua, durante el uso en condiciones normales (tensión entre 13.8V y 14.8V con el vehículo en funcionamiento), y que debe estar por debajo de un valor predeterminado. Las rejillas de las placas de estas baterías están constituidas por una aleación de Plomo-Calcio, Plomo-Plata o Plomo-Estaño.

Es importante saber que todas las baterías de solución líquida poseen un consumo de agua y, ese consumo dependerá directamente de la tecnología usada en su fabricación y del diseño interno de la tapa y/o tapones. Actualmente existen diversas normas que establecen límites máximos de consumo de agua para considerarlas sin mantenimiento. A su vez las terminales automotrices poseen sus exigencias según sus normativas internas.

La norma de VW establece un consumo máximo de 6g/Ah (6 gramos de agua por cada Ah de capacidad nominal), la norma Fiat exige un máximo de 3g/Ah y Ford 1.9g/Ah. La prueba para determinar el consumo de agua de una batería presenta pequeñas diferencias entre una norma y otra, pero básicamente consiste en:

  • Limpiar la batería completamente y pesarla inicialmente (Pi = Peso inicial).
  • Colocar la batería en un recipiente con agua a 40°C (baño maría). El nivel de agua debe estar poco debajo del borde de la tapa.
  • La batería debe recibir una carga constante entre 14.40V y 14.80V por un tiempo de 500h = 21 días (valor equivalente a aproximadamente un año de rodaje de un vehículo con 2 horas de uso diario).
  • Al final de ese período, la batería debe nuevamente ser limpiada y pesada (Pf = Peso final).
  • El consumo de agua será el resultado de la diferencia entre el peso inicial y el final dividido por la capacidad nominal de la batería.

Unidades:
– Consumo de Agua (g/Ah).
– Capacidad Nominal (Ah).
– Peso (g)

Sin Atención

  • Si es sellada.

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