Batería de ácido sólido

La batería de plomo-ácido es un tipo de batería recargable inventada por primera vez en 1859 por el físico francés Gaston Planté. Es el primer tipo de batería recargable jamás creado. En comparación con las baterías recargables modernas, las baterías de plomo-ácido tienen una densidad de energía relativamente baja. A pesar de esto, su capacidad para suministrar altas corrientes de sobretensión significa que las celdas tienen una relación potencia-peso relativamente grande. Estas características, junto con su bajo costo, los hacen atractivos para su uso en vehículos motorizados para proporcionar la alta corriente requerida por los motores de arranque. Las baterías de plomo-ácido tienen una vida útil relativamente corta (generalmente menos de 500 ciclos profundos) y una vida útil general (debido a la "doble sulfatación" en estado descargado).

Como son económicas en comparación con las tecnologías más nuevas, las baterías de plomo-ácido se usan ampliamente incluso cuando la sobrecorriente no es importante y otros diseños podrían proporcionar densidades de energía más altas. En 1999, las ventas de baterías de plomo-ácido representaron entre el 40% y el 50% del valor de las baterías vendidas en todo el mundo (excluyendo China y Rusia), lo que equivale a un valor de mercado de fabricación de unos 15.000 millones de dólares estadounidenses. Los diseños de plomo-ácido de gran formato se utilizan ampliamente para el almacenamiento en suministros de energía de respaldo en torres de telefonía celular, sistemas de energía de emergencia de alta disponibilidad como hospitales y sistemas de energía independientes. Para estos roles, se pueden usar versiones modificadas de la celda estándar para mejorar los tiempos de almacenamiento y reducir los requisitos de mantenimiento. Las baterías de celdas de gel y de fibra de vidrio absorbida son comunes en estas funciones, conocidas colectivamente como baterías VRLA (plomo-ácido reguladas por válvula).

En estado cargado, la energía química de la batería se almacena en la diferencia de potencial entre el plomo metálico en el lado negativo y el PbO2 en el lado positivo.

Historia

El científico francés Nicolas Gautherot observó en 1801 que los cables que se habían utilizado para experimentos de electrólisis proporcionarían una pequeña cantidad de energía "secundaria" corriente después de desconectar la batería principal. En 1859, la batería de plomo-ácido de Gaston Planté fue la primera batería que podía recargarse pasando una corriente inversa a través de ella. El primer modelo de Planté consistía en dos láminas de plomo separadas por tiras de goma y enrolladas en espiral. Sus baterías se usaron por primera vez para encender las luces en los vagones de tren mientras se detenía en una estación. En 1881, Camille Alphonse Faure inventó una versión mejorada que consistía en una rejilla de plomo en la que se presionaba una pasta de óxido de plomo para formar una placa. Este diseño fue más fácil de producir en masa. Uno de los primeros fabricantes (desde 1886) de baterías de plomo-ácido fue Henri Tudor.

Usar un electrolito en gel en lugar de líquido permite que la batería se use en diferentes posiciones sin fugas. Las baterías de electrolito de gel para cualquier posición se usaron por primera vez en la década de 1930 y, a fines de la década de 1920, los equipos de radio de maleta portátiles permitieron que la celda se montara vertical u horizontalmente (pero no invertida) debido al diseño de la válvula. En la década de 1970, se desarrolló la batería de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA, o "sellada"), incluidos los tipos modernos de malla de fibra de vidrio absorbente (AGM), que permiten el funcionamiento en cualquier posición.

A principios de 2011 se descubrió que las baterías de plomo-ácido, de hecho, usaban algunos aspectos de la relatividad para funcionar y, en menor grado, las baterías de metal líquido y sales fundidas, como las de Ca-Sb y Sn-Bi, también usan este efecto.

Electroquímica

Descarga

Descargado completo: dos placas de sulfato de plomo idénticas y solución de ácido sulfúrico diluido

En el estado descargado, tanto la placa positiva como la negativa se convierten en sulfato de plomo (II) (PbSO
₄), y el El electrolito pierde gran parte de su ácido sulfúrico disuelto y se convierte principalmente en agua.

Reacción de placa negativa

Pb(s) + HSO⁻
₄(aq) → PbSO
₄s) + H⁺
(aq) + 2e⁻

La liberación de dos electrones de conducción le da al electrodo principal una carga negativa.

A medida que los electrones se acumulan, crean un campo eléctrico que atrae iones de hidrógeno y repele los iones de sulfato, lo que da lugar a una doble capa cerca de la superficie. Los iones de hidrógeno filtran el electrodo cargado de la solución, lo que limita la reacción adicional a menos que se permita que la carga fluya fuera del electrodo.

Reacción de placa positiva

PbO
₂s) + HSO⁻
₄(aq) + 3H⁺
(aq) + 2e⁻ → PbSO
₄s) + 2H
₂Ol)

aprovechando la conductividad metálica del PbO2.

La reacción total se puede escribir como

Pbs) + PbO
₂s) + 2H
₂SO
₄(aq) → 2PbSO
₄s) + 2H
₂Ol) Ecell∘ ∘ =2.05V{displaystyle E_{cell}{circ }=2.05{text{ V}}

La energía neta liberada por mol (207 g) de Pb(s) convertida a PbSO
₄(s), es ca. 400 kJ, correspondiente a la formación de 36 g de agua. La suma de las masas moleculares de los reactivos es 642,6 g/mol, por lo que teóricamente una celda puede producir dos faradays de carga (192 971 culombios) a partir de 642,6 g de reactivos, o 83,4 amperios hora por kilogramo (o 13,9 amperios hora por kilogramo para una batería de 12 voltios) para una celda de 2 voltios. Esto equivale a 167 vatios-hora por kilogramo de reactivos, pero en la práctica, una celda de plomo-ácido proporciona solo 30 a 40 vatios-hora por kilogramo de batería, debido a la masa del agua y otras partes constituyentes.

Carga

Totalmente recargado: Placa positiva de dióxido de plomo, Placa negativa plomo y solución de ácido acuoso concentrado

En el estado de carga completa, la placa negativa consiste en plomo y la placa positiva es dióxido de plomo. La solución electrolítica tiene una mayor concentración de ácido sulfúrico acuoso, que almacena la mayor parte de la energía química.

La sobrecarga con altos voltajes de carga genera oxígeno y gas hidrógeno por electrólisis del agua, que burbujea y se pierde. El diseño de algunos tipos de batería de plomo-ácido permite inspeccionar el nivel de electrolito y rellenar con agua pura para reemplazar el que se haya perdido. Por aquí.

Efecto del nivel de carga en el punto de congelación

Debido a la depresión del punto de congelación, es más probable que el electrolito se congele en un ambiente frío cuando la batería tiene poca carga y una concentración de ácido sulfúrico correspondientemente baja.

Movimiento de iones

Durante la descarga, H⁺
producido en las placas negativas pasa a la solución electrolítica y luego se consume en las placas positivas, while HSO⁻
₄ se consume en ambas placas. Lo contrario ocurre durante la carga. Este movimiento puede ser un flujo de protones impulsado eléctricamente o un mecanismo de Grotthuss, o por difusión a través del medio, o por el flujo de un medio de electrolito líquido. Dado que la densidad del electrolito es mayor cuanto mayor es la concentración de ácido sulfúrico, el líquido tenderá a circular por convección. Por lo tanto, una celda de medio líquido tiende a descargarse y cargarse rápidamente de manera más eficiente que una celda de gel similar.

Medición del nivel de carga

Un hidrómetro se puede utilizar para probar la gravedad específica de cada célula como medida de su estado de carga.

Debido a que el electrolito participa en la reacción de carga y descarga, esta batería tiene una gran ventaja sobre otras químicas: es relativamente simple determinar el estado de carga simplemente midiendo la gravedad específica del electrolito; la gravedad específica cae a medida que la batería se descarga. Algunos diseños de baterías incluyen un hidrómetro simple que utiliza bolas flotantes de colores de diferente densidad. Cuando se usaba en submarinos diesel-eléctricos, la gravedad específica se medía regularmente y se escribía en una pizarra en la sala de control para indicar cuánto tiempo más podía permanecer sumergido el barco.

El voltaje de circuito abierto de la batería también se puede usar para medir el estado de carga. Si las conexiones a las celdas individuales son accesibles, entonces se puede determinar el estado de carga de cada celda, lo que puede proporcionar una guía sobre el estado de salud de la batería en su conjunto; de lo contrario, se puede evaluar el voltaje total de la batería.

Tensiones de uso común

La carga de baterías IUoU es un procedimiento de carga de tres etapas para baterías de plomo-ácido. El voltaje nominal de una batería de plomo-ácido es de 2,2 V por cada celda. Para una sola celda, el voltaje puede oscilar entre 1,8 V con carga y descarga completa y 2,10 V en un circuito abierto con carga completa.

El voltaje de flotación varía según el tipo de batería (es decir, celdas inundadas, electrolito gelificado, malla de fibra de vidrio absorbida) y oscila entre 1,8 V y 2,27 V. El voltaje de ecualización y el voltaje de carga para celdas sulfatadas pueden oscilar entre 2,67 V y casi 3 V. V (solo hasta que fluya una corriente de carga). Los valores específicos para una batería dada dependen del diseño y las recomendaciones del fabricante, y generalmente se dan a una temperatura de referencia de 20 °C (68 °F), lo que requiere un ajuste para las condiciones ambientales. El estándar IEEE 485-2020 (publicado por primera vez en 1997) es la práctica recomendada por la industria para dimensionar baterías de plomo-ácido en aplicaciones estacionarias.

Construcción

Platos

Vista interna de una pequeña batería de plomo-ácido de una moto de arranque eléctrico

La celda de plomo-ácido se puede demostrar utilizando placas de láminas de plomo para los dos electrodos. Sin embargo, tal construcción produce solo alrededor de un amperio para placas del tamaño de una postal y solo durante unos minutos.

Gaston Planté encontró la forma de proporcionar una superficie efectiva mucho mayor. En el diseño de Planté, las placas positiva y negativa estaban formadas por dos espirales de lámina de plomo, separadas con una sábana de tela y enrolladas. Inicialmente, las celdas tenían poca capacidad, por lo que un lento proceso de "formación" fue necesario para corroer las láminas de plomo, creando dióxido de plomo en las placas y haciéndolas ásperas para aumentar el área superficial. Inicialmente, este proceso utilizaba electricidad de baterías primarias; cuando los generadores estuvieron disponibles después de 1870, el costo de producir baterías disminuyó considerablemente. Las placas Planté todavía se utilizan en algunas aplicaciones estacionarias, donde las placas se ranuran mecánicamente para aumentar su área de superficie.

En 1880, Camille Alphonse Faure patentó un método para recubrir una rejilla de plomo (que sirve como conductor de corriente) con una pasta de óxidos de plomo, ácido sulfúrico y agua, seguida de una fase de curado en la que las placas se expusieron a una temperatura suave. calor en un ambiente de alta humedad. El proceso de curado transformó la pasta en una mezcla de sulfatos de plomo que se adhirió a la placa de plomo. Luego, durante la carga inicial de la batería (llamada 'formación'), la pasta curada en las placas se convirtió en material electroquímicamente activo (la 'masa activa'). El proceso de Faure redujo significativamente el tiempo y el costo de fabricar baterías de plomo-ácido y proporcionó un aumento sustancial en la capacidad en comparación con la batería de Planté. El método de Faure todavía se usa hoy en día, con solo mejoras incrementales en la composición de la pasta, el curado (que todavía se hace con vapor, pero ahora es un proceso muy controlado) y la estructura y composición de la rejilla a la que se aplica la pasta. Está aplicado.

La rejilla desarrollada por Faure era de plomo puro con bielas de plomo en ángulo recto. Por el contrario, las rejillas actuales están estructuradas para mejorar la resistencia mecánica y mejorar el flujo de corriente. Además de los diferentes patrones de rejilla (lo ideal es que todos los puntos de la placa estén equidistantes del conductor de alimentación), los procesos modernos también aplican una o dos esteras delgadas de fibra de vidrio sobre la rejilla para distribuir el peso de manera más uniforme. Y aunque Faure había utilizado plomo puro para sus rejillas, en un año (1881) estas habían sido reemplazadas por aleaciones de plomo y antimonio (8-12 %) para dar a las estructuras una rigidez adicional. Sin embargo, las redes con alto contenido de antimonio tienen una mayor evolución de hidrógeno (que también se acelera a medida que la batería envejece) y, por lo tanto, una mayor desgasificación y mayores costos de mantenimiento. Estos problemas fueron identificados por U. B. Thomas y W. E. Haring en Bell Labs en la década de 1930 y eventualmente condujeron al desarrollo de aleaciones de rejilla de plomo y calcio en 1935 para baterías de energía de reserva en la red telefónica de EE. UU. La investigación relacionada condujo al desarrollo de aleaciones de rejilla de plomo-selenio en Europa unos años más tarde. Tanto las aleaciones de rejilla de plomo-calcio como las de plomo-selenio aún agregan antimonio, aunque en cantidades mucho más pequeñas que las antiguas rejillas con alto contenido de antimonio: las rejillas de plomo-calcio tienen de 4 a 6 % de antimonio, mientras que las rejillas de plomo-selenio tienen de 1 a 2 %. Estas mejoras metalúrgicas le dan más fuerza a la rejilla, lo que le permite soportar más peso, es decir, más material activo, por lo que las placas pueden ser más gruesas, lo que a su vez contribuye a la vida útil de la batería, ya que hay más material disponible para arrojar antes de que la batería quede inutilizable.. Las rejillas de aleación con alto contenido de antimonio todavía se utilizan en baterías destinadas a ciclos frecuentes, p. en aplicaciones de arranque de motores donde es necesario compensar la expansión/contracción frecuente de las placas, pero donde la desgasificación no es significativa ya que las corrientes de carga se mantienen bajas. Desde la década de 1950, las baterías diseñadas para aplicaciones de ciclos poco frecuentes (por ejemplo, baterías de energía de reserva) tienen cada vez más rejillas de aleación de plomo-calcio o plomo-selenio, ya que estas tienen menos evolución de hidrógeno y, por lo tanto, menores gastos generales de mantenimiento. Las rejillas de aleación de plomo-calcio son más baratas de fabricar (por lo tanto, las celdas tienen costos iniciales más bajos), tienen una tasa de autodescarga más baja y menores requisitos de riego, pero tienen una conductividad ligeramente más pobre, son mecánicamente más débiles (y por lo tanto requieren más antimonio). para compensar) y están más sujetas a la corrosión (y por lo tanto tienen una vida útil más corta) que las celdas con rejillas de aleación de plomo-selenio.

El efecto de circuito abierto es una pérdida dramática del ciclo de vida de la batería que se observó cuando se sustituyó el calcio por antimonio. También se conoce como el efecto libre de antimonio.

Enfoque moderno

La pasta moderna contiene negro de carbón, blanc fixe (sulfato de bario) y lignosulfonato. El blanco fijo actúa como un cristal semilla para la reacción de plomo a sulfato de plomo. El blanc fixe debe estar completamente disperso en la pasta para que sea efectivo. El lignosulfonato evita que la placa negativa forme una masa sólida durante el ciclo de descarga y, en cambio, permite la formación de largas dendritas en forma de aguja. Los cristales largos tienen más área de superficie y se vuelven a convertir fácilmente al estado original al cargarlos. El negro de humo contrarresta el efecto de inhibición de la formación provocado por los lignosulfonatos. El dispersante de condensado de naftaleno sulfonado es un expansor más eficaz que el lignosulfonato y acelera la formación. Este dispersante mejora la dispersión del sulfato de bario en la pasta, reduce el tiempo de hidrofijado, produce una placa más resistente a la rotura, reduce las partículas finas de plomo y, por lo tanto, mejora las características de manipulación y pegado. Extiende la vida útil de la batería al aumentar el voltaje de fin de carga. El naftaleno sulfonado requiere entre un tercio y la mitad de la cantidad de lignosulfonato y es estable a temperaturas más altas.

Una vez secas, las placas se apilan con separadores adecuados y se introducen en un contenedor de células. Las placas alternas entonces constituyen electrodos alternos positivos y negativos, y dentro de la celda luego se conectan entre sí (negativo con negativo, positivo con positivo) en paralelo. Los separadores impiden que las placas se toquen entre sí, lo que de otro modo constituiría un cortocircuito. En las celdas inundadas y de gel, los separadores son raíles o montantes aislantes, antes de vidrio o cerámica, y ahora de plástico. En las celdas AGM, el separador es la malla de vidrio en sí, y la rejilla de platos con separadores se aprietan antes de insertarlos en la celda; una vez en la celda, las mallas de vidrio se expanden ligeramente, bloqueando efectivamente las placas en su lugar. En las baterías de varias celdas, las celdas se conectan entre sí en serie, ya sea a través de conectores a través de las paredes de las celdas o mediante un puente sobre las paredes de las celdas. Todas las conexiones intracelulares e intercelulares son de la misma aleación de plomo que la utilizada en las rejillas. Esto es necesario para evitar la corrosión galvánica.

Las baterías de ciclo profundo tienen una geometría diferente para sus electrodos positivos. El electrodo positivo no es una placa plana, sino una fila de cilindros o tubos de óxido de plomo ensartados uno al lado del otro, por lo que su geometría se denomina tubular o cilíndrica. La ventaja de esto es un área de superficie aumentada en contacto con el electrolito, con corrientes de carga y descarga más altas que una celda de placa plana del mismo volumen y profundidad de carga. Las celdas de electrodos tubulares tienen una mayor densidad de potencia que las celdas de placa plana. Esto hace que las placas de geometría tubular/cilíndrica sean especialmente adecuadas para aplicaciones de alta corriente con limitaciones de peso o espacio, como carretillas elevadoras o para arrancar motores diesel marinos. Sin embargo, debido a que los tubos/cilindros tienen menos material activo en el mismo volumen, también tienen una densidad de energía más baja que las celdas de placa plana. Y, menos material activo en el electrodo también significa que tienen menos material disponible para desprenderse antes de que la celda quede inutilizable. Los electrodos tubulares/cilíndricos también son más complicados de fabricar uniformemente, lo que tiende a hacerlos más caros que las celdas de placa plana. Estas ventajas y desventajas limitan la gama de aplicaciones en las que las baterías tubulares/cilíndricas son significativas para situaciones en las que no hay suficiente espacio para instalar unidades de placa plana de mayor capacidad (y, por lo tanto, más grandes).

Alrededor del 60 % del peso de una batería de plomo-ácido de tipo automotriz con una clasificación de alrededor de 60 A·h es plomo o partes internas hechas de plomo; el resto es electrolito, separadores y la caja. Por ejemplo, hay aproximadamente 8,7 kg (19 lb) de plomo en una batería típica de 14,5 kg (32 lb).

Separadores

Los separadores entre las placas positiva y negativa evitan los cortocircuitos por contacto físico, principalmente a través de las dendritas ("treeing"), pero también por el desprendimiento del material activo. Los separadores permiten el flujo de iones entre las placas de una celda electroquímica para formar un circuito cerrado. Para la fabricación de separadores se han utilizado madera, caucho, fibra de vidrio, celulosa y PVC o plástico de polietileno. La madera fue la elección original, pero se deteriora en el electrolito ácido.

Un separador eficaz debe poseer una serie de propiedades mecánicas; como la permeabilidad, la porosidad, la distribución del tamaño de los poros, el área superficial específica, el diseño mecánico y la resistencia, la resistencia eléctrica, la conductividad iónica y la compatibilidad química con el electrolito. En servicio, el separador debe tener buena resistencia al ácido ya la oxidación. El área del separador debe ser un poco más grande que el área de las placas para evitar cortocircuitos de material entre las placas. Los separadores deben permanecer estables en el rango de temperatura de funcionamiento de la batería.

Estera de fibra de vidrio absorbente (AGM)

En el diseño de malla de fibra de vidrio absorbente, o AGM para abreviar, los separadores entre las placas se reemplazan por una malla de fibra de vidrio empapada en electrolito. Solo hay suficiente electrolito en la alfombrilla para mantenerla húmeda, y si se perfora la batería, el electrolito no saldrá de las alfombrillas. Principalmente, el propósito de reemplazar el electrolito líquido en una batería inundada con una malla de fibra de vidrio semisaturada es aumentar sustancialmente el transporte de gas a través del separador; El gas hidrógeno u oxígeno producido durante la sobrecarga o la carga (si la corriente de carga es excesiva) puede pasar libremente a través de la malla de vidrio y reducir u oxidar la placa opuesta, respectivamente. En una celda inundada, las burbujas de gas flotan hacia la parte superior de la batería y se pierden en la atmósfera. Este mecanismo para que el gas producido se recombine y el beneficio adicional de una celda semisaturada que no proporciona una fuga sustancial de electrolito tras la perforación física de la carcasa de la batería permite que la batería esté completamente sellada, lo que las hace útiles en dispositivos portátiles y funciones similares. Además, la batería se puede instalar en cualquier orientación, aunque si se instala al revés, es posible que el ácido salga expulsado a través de la ventilación de sobrepresión.

Para reducir la tasa de pérdida de agua, el calcio se alea con las placas; sin embargo, la acumulación de gas sigue siendo un problema cuando la batería se carga o descarga profunda o rápidamente. Para evitar la presurización excesiva de la carcasa de la batería, las baterías AGM incluyen una válvula de descarga unidireccional y, a menudo, se conocen como diseños de "plomo-ácido regulado por válvula" o VRLA.

Otra ventaja del diseño AGM es que el electrolito se convierte en el material del separador y es mecánicamente resistente. Esto permite que la pila de placas se comprima en la carcasa de la batería, lo que aumenta ligeramente la densidad de energía en comparación con las versiones líquidas o de gel. Las baterías AGM a menudo muestran un característico "abultamiento" en sus conchas cuando se construyen en formas rectangulares comunes, debido a la expansión de las placas positivas.

La alfombrilla también evita el movimiento vertical del electrolito dentro de la batería. Cuando una celda húmeda normal se almacena descargada, las moléculas de ácido más pesadas tienden a asentarse en el fondo de la batería, lo que hace que el electrolito se estratifique. Cuando se usa la batería, la mayor parte de la corriente fluye solo en esta área y la parte inferior de las placas tiende a desgastarse rápidamente. Esta es una de las razones por las que la batería de un automóvil convencional puede arruinarse si se deja almacenada durante un período prolongado y luego se usa y recarga. El tapete previene significativamente esta estratificación, eliminando la necesidad de agitar periódicamente las baterías, hervirlas o ejecutar una "carga de ecualización" a través de ellos para mezclar el electrolito. La estratificación también hace que las capas superiores de la batería se conviertan casi completamente en agua, lo que puede congelarse en climas fríos, los AGM son significativamente menos susceptibles a daños debido al uso a bajas temperaturas.

Si bien las celdas AGM no permiten el riego (por lo general, es imposible agregar agua sin perforar un agujero en la batería), su proceso de recombinación está fundamentalmente limitado por los procesos químicos habituales. El gas de hidrógeno se difundirá incluso a través de la propia carcasa de plástico. Algunos han descubierto que es rentable agregar agua a una batería AGM, pero esto debe hacerse lentamente para permitir que el agua se mezcle por difusión en toda la batería. Cuando una batería de plomo-ácido pierde agua, su concentración de ácido aumenta, aumentando significativamente la tasa de corrosión de las placas. Las celdas AGM ya tienen un alto contenido de ácido en un intento por reducir la tasa de pérdida de agua y aumentar el voltaje de reserva, y esto provoca una vida más corta en comparación con una batería inundada de plomo-antimonio. Si el voltaje de circuito abierto de las celdas AGM es significativamente mayor que 2,093 voltios, o 12,56 V para una batería de 12 V, entonces tiene un contenido de ácido más alto que una celda inundada; si bien esto es normal para una batería AGM, no es deseable para una vida útil prolongada.

Las celdas AGM que se sobrecargan intencional o accidentalmente mostrarán un voltaje de circuito abierto más alto de acuerdo con la pérdida de agua (y el aumento de la concentración de ácido). Un amperio-hora de sobrecarga electrolizará 0,335 gramos de agua por celda; parte de este hidrógeno y oxígeno liberados se recombinarán, pero no todo.

Electrolitos gelificados

Durante la década de 1970, los investigadores desarrollaron la versión sellada o batería de gel, que mezcla un agente gelificante de sílice en el electrolito (las baterías de plomo-ácido a base de gel de sílice que se usaban en las radios portátiles de principios de la década de 1930 no estaban completamente selladas). Esto convierte el interior anteriormente líquido de las celdas en una pasta semirrígida, proporcionando muchas de las mismas ventajas del AGM. Dichos diseños son incluso menos susceptibles a la evaporación y, a menudo, se utilizan en situaciones en las que es posible poco o ningún mantenimiento periódico. Las celdas de gel también tienen puntos de congelación más bajos y puntos de ebullición más altos que los electrolitos líquidos utilizados en las celdas húmedas y AGM convencionales, lo que las hace adecuadas para su uso en condiciones extremas.

La única desventaja del diseño del gel es que evita el movimiento rápido de los iones en el electrolito, lo que reduce la movilidad del portador y, por lo tanto, la capacidad de sobrecorriente. Por esta razón, las celdas de gel se encuentran más comúnmente en aplicaciones de almacenamiento de energía como sistemas fuera de la red.

"Libre de mantenimiento", "sellado" y "VRLA"(ácido de plomo regulado por válvula)

Los diseños de gel y AGM están sellados, no requieren riego, se pueden usar en cualquier orientación y usan una válvula para purgar el gas. Por ello, ambos diseños pueden denominarse libres de mantenimiento, sellados y VRLA. Sin embargo, es bastante habitual encontrar recursos que afirmen que estos términos hacen referencia a uno u otro de estos diseños, en concreto.

En una batería de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA), el hidrógeno y el oxígeno producidos en las celdas se recombinan en gran medida en agua. La fuga es mínima, aunque todavía se escapa algo de electrolito si la recombinación no puede seguir el ritmo de la evolución del gas. Dado que las baterías VRLA no requieren (y hacen imposible) una revisión periódica del nivel de electrolito, se las denomina baterías sin mantenimiento. Sin embargo, esto es algo inapropiado. Las celdas VRLA requieren mantenimiento. A medida que se pierde el electrolito, las células VRLA se "secan" y pierde capacidad. Esto se puede detectar tomando mediciones periódicas de resistencia interna, conductancia o impedancia. Las pruebas regulares revelan si se requieren pruebas y mantenimiento más complicados. Se han desarrollado procedimientos de mantenimiento recientes que permiten la "rehidratación", a menudo restaurando cantidades significativas de la capacidad perdida.

Los tipos VRLA se hicieron populares en las motocicletas alrededor de 1983, porque el electrolito ácido se absorbe en el separador, por lo que no puede derramarse. El separador también les ayuda a soportar mejor las vibraciones. También son populares en aplicaciones estacionarias como sitios de telecomunicaciones, debido a su pequeño tamaño y flexibilidad de instalación.

Aplicaciones

La mayoría de las baterías de plomo-ácido del mundo son baterías de arranque, iluminación e ignición (SLI) para automóviles, con un estimado de 320 millones de unidades enviadas en 1999. En 1992, se usaron alrededor de 3 millones de toneladas de plomo en la fabricacion de baterias.

Las baterías de reserva (estacionarias) de celda húmeda diseñadas para una descarga profunda se usan comúnmente en grandes suministros de energía de respaldo para centros telefónicos y de cómputo, almacenamiento de energía en la red y sistemas de energía eléctrica domésticos fuera de la red. Las baterías de plomo-ácido se utilizan en iluminación de emergencia y para alimentar bombas de sumidero en caso de corte de energía.

Las baterías de tracción (propulsión) se utilizan en carritos de golf y otros vehículos eléctricos a batería. Las baterías grandes de plomo-ácido también se utilizan para alimentar los motores eléctricos en los submarinos diesel-eléctricos (convencionales) cuando están sumergidos, y también se utilizan como energía de emergencia en los submarinos nucleares. Las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula no pueden derramar su electrolito. Se utilizan en fuentes de alimentación de respaldo para alarmas y sistemas informáticos más pequeños (particularmente en fuentes de alimentación ininterrumpida; UPS) y para scooters eléctricos, sillas de ruedas eléctricas, bicicletas eléctricas, aplicaciones marinas, vehículos eléctricos de batería o vehículos microhíbridos y motocicletas. Muchos montacargas eléctricos usan baterías de plomo-ácido, donde el peso se usa como parte de un contrapeso. Se utilizaron baterías de plomo-ácido para suministrar el voltaje del filamento (calentador), con 2 V comunes en los primeros receptores de radio de tubo de vacío (válvula).

Baterías portátiles para mineros' Los faros de lámparas de casquillo suelen tener dos o tres celdas.

Ciclos

Baterías de arranque

Las baterías de plomo-ácido diseñadas para arrancar motores de automóviles no están diseñadas para descargas profundas. Tienen una gran cantidad de placas delgadas diseñadas para un área de superficie máxima y, por lo tanto, una salida de corriente máxima, que pueden dañarse fácilmente con una descarga profunda. Las descargas profundas repetidas darán como resultado una pérdida de capacidad y, en última instancia, una falla prematura, ya que los electrodos se desintegran debido a las tensiones mecánicas que surgen de los ciclos. Las baterías de arranque que se mantienen con una carga flotante continua sufrirán corrosión de los electrodos, lo que también dará como resultado una falla prematura. Por lo tanto, las baterías de arranque deben mantenerse en circuito abierto pero cargarse regularmente (al menos una vez cada dos semanas) para evitar la sulfatación.

Las baterías de arranque pesan menos que las baterías de ciclo profundo del mismo tamaño, porque las placas de las celdas, más delgadas y livianas, no se extienden hasta el fondo de la caja de la batería. Esto permite que el material desintegrado suelto se caiga de las placas y se acumule en la parte inferior de la celda, lo que prolonga la vida útil de la batería. Si estos desechos sueltos se elevan lo suficiente, pueden tocar la parte inferior de las placas y provocar la falla de una celda, lo que resulta en la pérdida de voltaje y capacidad de la batería.

Baterías de ciclo profundo

Las celdas de ciclo profundo especialmente diseñadas son mucho menos susceptibles a la degradación debido a los ciclos y son necesarias para aplicaciones en las que las baterías se descargan regularmente, como sistemas fotovoltaicos, vehículos eléctricos (carretillas elevadoras, carritos de golf, automóviles eléctricos y otros) y sistemas de alimentación ininterrumpida. Estas baterías tienen placas más gruesas que pueden entregar menos corriente máxima, pero pueden soportar descargas frecuentes.

Algunas baterías están diseñadas como un compromiso entre el arranque (alta corriente) y el ciclo profundo. Pueden descargarse en mayor grado que las baterías de automóviles, pero menos que las baterías de ciclo profundo. Se les puede denominar "marino/autocaravana" baterías, o "baterías de ocio".

Carga y descarga rápida y lenta

La corriente de carga necesita igualar la capacidad de la batería para absorber la energía. Usar una corriente de carga demasiado grande en una batería pequeña puede llevar a hervir y ventilar el electrolito. En esta imagen un caso de batería VRLA ha sido lanzado debido a la alta presión de gas desarrollada durante la sobrecarga.

La capacidad de una batería de plomo-ácido no es una cantidad fija, sino que varía según la rapidez con la que se descarga. La relación empírica entre la tasa de descarga y la capacidad se conoce como ley de Peukert.

Cuando una batería se carga o descarga, solo los químicos que reaccionan, que se encuentran en la interfaz entre los electrodos y el electrolito, se ven afectados inicialmente. Con el tiempo, la carga almacenada en los productos químicos en la interfaz, a menudo denominada "carga de interfaz" o "carga superficial", se propaga por difusión de estos químicos en todo el volumen del material activo.

Considere una batería que se haya descargado por completo (como ocurre cuando se dejan las luces del automóvil encendidas durante la noche, un consumo de corriente de aproximadamente 6 amperios). Si luego se le da una carga rápida durante solo unos minutos, las placas de la batería se cargan solo cerca de la interfaz entre las placas y el electrolito. En este caso, el voltaje de la batería podría aumentar a un valor cercano al voltaje del cargador; esto hace que la corriente de carga disminuya significativamente. Después de algunas horas, esta carga de interfaz se extenderá al volumen del electrodo y el electrolito; esto conduce a una carga de interfaz tan baja que puede ser insuficiente para arrancar el automóvil. Siempre que el voltaje de carga se mantenga por debajo del voltaje de gasificación (alrededor de 14,4 voltios en una batería de plomo-ácido normal), es poco probable que se dañe la batería y, con el tiempo, la batería debería volver a un estado de carga nominal.

Sulfatación y desulfatación

Placas sulfadas de una batería de 12-V 5-Ah

Las baterías de plomo-ácido pierden la capacidad de aceptar una carga cuando se descargan durante demasiado tiempo debido a la sulfatación, la cristalización del sulfato de plomo. Generan electricidad a través de una reacción química de doble sulfato. El plomo y el dióxido de plomo, los materiales activos de las placas de la batería, reaccionan con el ácido sulfúrico del electrolito para formar sulfato de plomo. El sulfato de plomo se forma primero en un estado amorfo finamente dividido y se convierte fácilmente en plomo, dióxido de plomo y ácido sulfúrico cuando la batería se recarga. A medida que las baterías pasan por numerosas descargas y cargas, parte del sulfato de plomo no se recombina en electrolito y se convierte lentamente en una forma cristalina estable que ya no se disuelve al recargarse. Por lo tanto, no todo el plomo vuelve a las placas de la batería y la cantidad de material activo utilizable necesario para la generación de electricidad disminuye con el tiempo.

La sulfatación se produce en las baterías de plomo-ácido cuando se someten a una carga insuficiente durante el funcionamiento normal. Impide la recarga; los depósitos de sulfato finalmente se expanden, agrietando las placas y destruyendo la batería. Eventualmente, gran parte del área de la placa de la batería no puede suministrar corriente que la capacidad de la batería se reduce considerablemente. Además, la porción de sulfato (del sulfato de plomo) no se devuelve al electrolito como ácido sulfúrico. Se cree que los cristales grandes impiden físicamente que el electrolito entre en los poros de las placas. Una capa blanca en las placas puede ser visible en baterías con carcasas transparentes o después de desmontar la batería. Las baterías que están sulfatadas muestran una alta resistencia interna y pueden entregar solo una pequeña fracción de la corriente de descarga normal. La sulfatación también afecta el ciclo de carga, lo que resulta en tiempos de carga más largos, carga menos eficiente e incompleta y temperaturas más altas de la batería.

Las baterías SLI (arranque, encendido, ignición; por ejemplo, baterías de automóviles) sufren el mayor deterioro porque los vehículos normalmente no se utilizan durante períodos de tiempo relativamente largos. Las baterías de energía motriz y de ciclo profundo están sujetas a sobrecargas controladas regulares, y finalmente fallan debido a la corrosión de las rejillas de placas positivas en lugar de a la sulfatación.

La sulfatación se puede evitar si la batería se recarga por completo inmediatamente después de un ciclo de descarga. No se conocen formas verificadas de forma independiente para revertir la sulfatación. Hay productos comerciales que afirman lograr la desulfatación a través de varias técnicas, como la carga por pulsos, pero no hay publicaciones revisadas por pares que verifiquen sus afirmaciones. La prevención de la sulfatación sigue siendo el mejor curso de acción, mediante la carga completa periódica de las baterías de plomo-ácido.

Estratificación

Una batería de plomo-ácido típica contiene una mezcla con concentraciones variables de agua y ácido. El ácido sulfúrico tiene una densidad más alta que el agua, lo que hace que el ácido formado en las placas durante la carga fluya hacia abajo y se acumule en la parte inferior de la batería. Eventualmente, la mezcla volverá a alcanzar una composición uniforme por difusión, pero este es un proceso muy lento. Los ciclos repetidos de carga y descarga parcial aumentarán la estratificación del electrolito, reduciendo la capacidad y el rendimiento de la batería porque la falta de ácido en la parte superior limita la activación de la placa. La estratificación también promueve la corrosión en la mitad superior de las placas y la sulfatación en la parte inferior.

La sobrecarga periódica crea productos de reacción gaseosos en la placa, lo que genera corrientes de convección que mezclan el electrolito y resuelven la estratificación. La agitación mecánica del electrolito tendría el mismo efecto. Las baterías de los vehículos en movimiento también están sujetas a chapoteo y salpicaduras en las celdas, a medida que el vehículo acelera, frena y gira.

Riesgo de explosión

Batería de plomo de coche después de la explosión mostrando fractura de hervidor en extremos de casquillo

La carga excesiva provoca electrólisis, emitiendo hidrógeno y oxígeno. Este proceso se conoce como "gasificación". Las celdas húmedas tienen respiraderos abiertos para liberar el gas producido, y las baterías VRLA dependen de válvulas instaladas en cada celda. Las tapas catalíticas están disponibles para celdas inundadas para recombinar hidrógeno y oxígeno. Una celda VRLA normalmente recombina el hidrógeno y el oxígeno producidos dentro de la celda, pero el mal funcionamiento o el sobrecalentamiento pueden causar la acumulación de gas. Si esto sucede (por ejemplo, por sobrecarga) la válvula ventila el gas y normaliza la presión, produciendo un olor ácido característico. Sin embargo, las válvulas pueden fallar, por ejemplo, si se acumulan suciedad y desechos, lo que permite que se acumule presión.

El hidrógeno y el oxígeno acumulados a veces se encienden en una explosión interna. La fuerza de la explosión puede hacer que la carcasa de la batería explote o que su parte superior salga volando, rociando ácido y fragmentos de la carcasa. Una explosión en una celda puede encender cualquier mezcla de gas combustible en las celdas restantes. De manera similar, en un área mal ventilada, conectar o desconectar un circuito cerrado (como una carga o un cargador) a los terminales de la batería también puede causar chispas y una explosión, si se ventiló algún gas de las celdas.

Las celdas individuales dentro de una batería también pueden provocar un cortocircuito y provocar una explosión.

Las celdas de las baterías VRLA normalmente se hinchan cuando aumenta la presión interna, por lo que son una advertencia para los usuarios y los mecánicos. La deformación varía de una celda a otra y es mayor en los extremos donde las paredes no están soportadas por otras celdas. Estas baterías sobrepresurizadas deben aislarse cuidadosamente y desecharse. El personal que trabaje cerca de baterías con riesgo de explosión debe protegerse los ojos y la piel expuesta de las quemaduras provocadas por el ácido rociado y el fuego mediante el uso de una careta, un mono y guantes. El uso de gafas en lugar de un protector facial sacrifica la seguridad al dejar la cara expuesta a posibles fragmentos de ácido, carcasa o batería, y al calor de una posible explosión.

Medio ambiente

Preocupaciones ambientales

Según un informe de 2003 titulado "Cómo eliminar el plomo", de Environmental Defense and the Ecology Center de Ann Arbor, Michigan, las baterías de los vehículos en la carretera contenían aproximadamente 2 600 000 toneladas métricas (2 600 000 de toneladas; 2.900.000 toneladas cortas) de plomo. Algunos compuestos de plomo son extremadamente tóxicos. La exposición a largo plazo incluso a pequeñas cantidades de estos compuestos puede causar daño cerebral y renal, discapacidad auditiva y problemas de aprendizaje en los niños. La industria automotriz usa más de 1,000,000 toneladas métricas (980,000 toneladas largas; 1,100,000 toneladas cortas) de plomo cada año, y el 90% se destina a baterías de vehículos convencionales de plomo-ácido. Si bien el reciclaje de plomo es una industria bien establecida, más de 40 000 toneladas métricas (39 000 toneladas largas; 44 000 toneladas cortas) terminan en vertederos cada año. Según el Inventario federal de emisiones tóxicas, se liberan otras 70 000 toneladas métricas (69 000 toneladas largas; 77 000 toneladas cortas) en el proceso de extracción y fabricación de plomo.

Se están haciendo intentos para desarrollar alternativas (particularmente para uso automotriz) debido a preocupaciones sobre las consecuencias ambientales de la eliminación inadecuada y de las operaciones de fundición de plomo, entre otras razones. Es poco probable que las alternativas los reemplacen para aplicaciones como arranque de motores o sistemas de energía de respaldo, ya que las baterías, aunque pesadas, son de bajo costo.

Reciclaje

Un trabajador que recicla plomo fundido en una instalación de reciclaje de baterías

Según el Battery Council, un grupo industrial, el reciclaje de baterías de plomo-ácido es uno de los programas de reciclaje más exitosos del mundo. En los Estados Unidos, el 99 % de todo el plomo de las baterías se recicló entre 2014 y 2018. Sin embargo, los documentos de la Administración de Protección Ambiental de los EE. UU., desde 1982, indican tasas que varían entre el 60 % y el 95 %.

El plomo es altamente tóxico para los seres humanos y su reciclaje puede resultar en contaminación y contaminación de las personas, lo que resulta en numerosos y duraderos problemas de salud. Una clasificación identifica el reciclaje de baterías de plomo-ácido como el proceso industrial más mortífero del mundo, en términos de años de vida perdidos ajustados por discapacidad, lo que da como resultado entre 2 000 000 y 4 800 000 años estimados de vidas humanas individuales perdidas a nivel mundial.

Los sitios de reciclaje de baterías de plomo-ácido, en sí mismos, se han convertido en una fuente de contaminación por plomo y, en 1992, la EPA había seleccionado 29 de esos sitios para su limpieza Superfund, con 22 en su Lista Nacional de Prioridades.

Un sistema eficaz de control de la contaminación es una necesidad para prevenir la emisión de plomo. Se requiere una mejora continua en las plantas de reciclaje de baterías y los diseños de hornos para mantener el ritmo de los estándares de emisión para las fundiciones de plomo.

Aditivos

Los aditivos químicos se han utilizado desde que la batería de plomo-ácido se convirtió en un artículo comercial, para reducir la acumulación de sulfato de plomo en las placas y mejorar la condición de la batería cuando se agregan al electrolito de una batería de plomo-ácido ventilada. Dichos tratamientos rara vez, o nunca, son efectivos.

Dos compuestos que se utilizan para tales fines son las sales de Epsom y el EDTA. Las sales de Epsom reducen la resistencia interna en una batería débil o dañada y pueden permitir una pequeña cantidad de vida extendida. El EDTA se puede utilizar para disolver los depósitos de sulfato de placas muy descargadas. Sin embargo, el material disuelto ya no está disponible para participar en el ciclo normal de carga y descarga, por lo que una batería reactivada temporalmente con EDTA tendrá una expectativa de vida reducida. El EDTA residual en la celda de plomo-ácido forma ácidos orgánicos que acelerarán la corrosión de las placas de plomo y los conectores internos.

Los materiales activos cambian de forma física durante la carga/descarga, lo que da como resultado el crecimiento y la distorsión de los electrodos y el desprendimiento de los electrodos en el electrolito. Una vez que el material activo se ha caído de las placas, no se puede restaurar en su posición mediante ningún tratamiento químico. Del mismo modo, los problemas físicos internos, como placas agrietadas, conectores corroídos o separadores dañados, no pueden repararse químicamente.

Problemas de corrosión

La corrosión de las partes metálicas externas de la batería de plomo-ácido es el resultado de una reacción química de los terminales, enchufes y conectores de la batería.

La corrosión en el terminal positivo es causada por electrólisis, debido a una falta de coincidencia de las aleaciones metálicas utilizadas en la fabricación del terminal de la batería y el conector del cable. La corrosión blanca suele ser cristales de sulfato de plomo o zinc. Los conectores de aluminio se corroen hasta convertirse en sulfato de aluminio. Los conectores de cobre producen cristales de corrosión azules y blancos. La corrosión de los terminales de una batería puede reducirse recubriéndolos con vaselina o con un producto disponible comercialmente fabricado para tal fin.

Si la batería se llena en exceso con agua y electrolito, la expansión térmica puede hacer que parte del líquido salga de las rejillas de ventilación de la batería hacia la parte superior de la batería. Esta solución puede reaccionar con el plomo y otros metales en el conector de la batería y causar corrosión.

El electrolito puede filtrarse desde el sello de plástico a plomo donde los terminales de la batería penetran en la caja de plástico.

Los vapores de ácido que se vaporizan a través de las tapas de ventilación, a menudo causados por una sobrecarga y una ventilación insuficiente de la caja de la batería, pueden permitir que los vapores de ácido sulfúrico se acumulen y reaccionen con los metales expuestos.