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, son capaces de suministrar altas corrientes de sobretensión . Estas características, junto con su bajo costo, las hacen atractivas para su uso en vehículos de motor para proporcionar la alta corriente requerida por los motores de arranque . Las baterías de plomo-ácido sufren una vida útil de ciclo relativamente corta (generalmente menos de 500 ciclos profundos) y una vida útil general (debido a la "doble sulfatación" en el estado descargado), así como largos tiempos de carga.
Como son económicas en comparación con las tecnologías más nuevas, las baterías de plomo-ácido se utilizan ampliamente incluso cuando la corriente de sobretensión no es importante y otros diseños podrían proporcionar densidades de energía más altas. En 1999, las ventas de baterías de plomo-ácido representaron el 40-50% del valor de las baterías vendidas en todo el mundo (excluyendo China y Rusia), equivalente a un valor de mercado de fabricación de aproximadamente US$15 mil millones . [8] Los diseños de plomo-ácido de gran formato se utilizan ampliamente para el almacenamiento en fuentes de alimentación de respaldo en torres de telefonía celular , sistemas de energía de emergencia de alta disponibilidad como hospitales y sistemas de energía autónomos . Para estas funciones, se pueden utilizar versiones modificadas de la celda estándar para mejorar los tiempos de almacenamiento y reducir los requisitos de mantenimiento. Las celdas de gel y las baterías de estera de fibra de vidrio absorbida son comunes en estas funciones, conocidas colectivamente como baterías VRLA (plomo-ácido reguladas por válvula) .
En el 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 PbO 2 en el lado positivo.
El científico francés Nicolas Gautherot observó en 1801 que los cables que se habían utilizado para experimentos de electrólisis proporcionarían por sí mismos una pequeña cantidad de corriente "secundaria" después de que se hubiera desconectado la batería principal. [9] En 1859, la batería de plomo-ácido de Gaston Planté fue la primera batería que podía recargarse haciendo pasar 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. [10] Sus baterías se utilizaron por primera vez para alimentar las luces de los vagones de tren mientras estaban detenidos 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, formando una placa. Este diseño era más fácil de producir en masa. Uno de los primeros fabricantes (a partir de 1886) de baterías de plomo-ácido fue Henri Tudor . [ cita requerida ]
El uso de un electrolito en gel en lugar de un líquido permite que la batería se pueda utilizar en diferentes posiciones sin fugas. Las baterías de electrolito en gel para cualquier posición se utilizaron por primera vez a fines de la década de 1920 y, en la década de 1930, los equipos de radio portátiles de maleta permitieron que la celda se montara vertical u horizontalmente (pero no invertida) debido al diseño de la válvula. [11] En la década de 1970, se desarrolló la batería de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA, o "sellada"), incluidos los tipos modernos de estera de vidrio absorbido (AGM), que permiten el funcionamiento en cualquier posición.
A principios de 2011 se descubrió que las baterías de plomo-ácido de hecho utilizaban algunos aspectos de la relatividad para funcionar, y en menor grado las baterías de metal líquido y de sal fundida como las de Ca–Sb y Sn–Bi también utilizan este efecto. [12] [13]
En el estado descargado, tanto las placas positivas como las negativas se convierten en sulfato de plomo (II) ( PbSO
4), y el electrolito pierde gran parte de su ácido sulfúrico disuelto y se convierte principalmente en agua.
La liberación de dos electrones de conducción proporciona al electrodo de plomo una carga negativa.
A medida que los electrones se acumulan, crean un campo eléctrico que atrae a los iones de hidrógeno y repele a los iones de sulfato, lo que genera una doble capa cerca de la superficie. Los iones de hidrógeno protegen el electrodo cargado de la solución, lo que limita la reacción posterior, a menos que se permita que la carga fluya fuera del electrodo.
Aprovechando la conductividad metálica del PbO2.
La energía neta liberada por mol (207 g) de Pb(s) convertido a PbSO
4(s) es de aproximadamente 400 kJ, lo que corresponde a la formación de 36 g de agua. La suma de las masas moleculares de los reactivos es de 642,6 g/mol, por lo que, en teoría, 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 para una celda de 2 voltios (o 13,9 amperios-hora por kilogramo para una batería de 12 voltios). Esto equivale a 167 vatios-hora por kilogramo de reactivos, pero en la práctica, una celda de plomo-ácido solo da entre 30 y 40 vatios-hora por kilogramo de batería, debido a la masa del agua y otras partes constituyentes.
En estado de carga completa, la placa negativa está compuesta de plomo y la placa positiva de 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 voltajes de carga altos genera oxígeno e hidrógeno gaseoso por electrólisis del agua , que burbujea y se pierde. El diseño de algunos tipos de baterías de plomo-ácido permite inspeccionar el nivel de electrolito y rellenarlo con agua pura para reemplazar el que se haya perdido de esta manera.
Debido a la depresión del punto de congelación , es más probable que el electrolito se congele en un ambiente frío cuando la batería tiene una carga baja y una concentración de ácido sulfúrico correspondientemente baja.
Durante el alta, H+
producido en las placas negativas pasa a la solución electrolítica y luego se consume en las placas positivas, mientras que el HSO−
4se consume en ambas placas. Durante la carga ocurre lo contrario. Este movimiento puede ser impulsado eléctricamente por el flujo de protones ( mecanismo de Grotthuss ), por difusión a través del medio o por el flujo de un medio electrolítico líquido. Dado que la densidad del electrolito es mayor cuando la concentración de ácido sulfúrico es mayor, 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.
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Debido a que el electrolito participa en la reacción de carga-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 usaban en submarinos diésel-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. [14]
El voltaje de circuito abierto de la batería también se puede utilizar para medir el estado de carga. [15] 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 en cuanto al estado de salud de la batería en su conjunto; de lo contrario, se puede evaluar el voltaje general de la batería.
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 para cada celda. Para una sola celda, el voltaje puede variar de 1,8 V con carga completa a 2,10 V en un circuito abierto con carga completa.
El voltaje de flotación varía según el tipo de batería (celdas inundadas, electrolito gelificado, estera de vidrio absorbido ) y varía de 1,8 V a 2,27 V. El voltaje de ecualización y el voltaje de carga para celdas sulfatadas pueden variar de 2,67 V a casi 3 V [16] (solo hasta que fluye una corriente de carga). [17] [18] Los valores específicos para una batería determinada dependen del diseño y las recomendaciones del fabricante, y generalmente se dan a una temperatura base de 20 °C (68 °F), lo que requiere un ajuste para las condiciones ambientales. La norma IEEE 485-2020 (publicada por primera vez en 1997) es la práctica recomendada por la industria para dimensionar baterías de plomo-ácido en aplicaciones estacionarias. [19]
La pila de plomo-ácido se puede demostrar utilizando placas de plomo para los dos electrodos. Sin embargo, esta construcción produce sólo alrededor de un amperio para placas del tamaño de una postal y durante sólo unos minutos.
Gaston Planté encontró una forma de proporcionar una superficie efectiva mucho mayor. En el diseño de Planté, las placas positiva y negativa estaban formadas por dos espirales de láminas de plomo, separadas con una hoja de tela y enrolladas. Las celdas inicialmente tenían poca capacidad, por lo que se requirió un proceso lento de "formado" para corroer las láminas de plomo, creando dióxido de plomo en las placas y haciéndolas rugosas para aumentar la superficie. Inicialmente, este proceso utilizaba electricidad de baterías primarias; cuando los generadores estuvieron disponibles después de 1870, el costo de producción de baterías disminuyó considerablemente. [8] Las placas de Planté todavía se utilizan en algunas aplicaciones estacionarias, donde las placas están ranuradas mecánicamente para aumentar su 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, seguido de una fase de curado en la que las placas se exponían a un calor suave en un entorno de alta humedad. El proceso de curado convertía la pasta en una mezcla de sulfatos de plomo que se adherían a la placa de plomo. Luego, durante la carga inicial de la batería (llamada "formación"), la pasta curada sobre las placas se convertía en material electroquímicamente activo (la "masa activa"). El proceso de Faure redujo significativamente el tiempo y el coste de fabricación de baterías de plomo-ácido, y proporcionó un aumento sustancial de la capacidad en comparación con la batería de Planté. [20] El método de Faure todavía se utiliza hoy en día, con solo mejoras incrementales en la composición de la pasta, el curado (que todavía se realiza con vapor, pero ahora es un proceso muy controlado) y la estructura y composición de la rejilla a la que se aplica la pasta.
La rejilla desarrollada por Faure era de plomo puro con varillas de conexión de plomo en ángulo recto. En cambio, las rejillas actuales están estructuradas para mejorar la resistencia mecánica y el flujo de corriente. Además de los diferentes patrones de rejilla (lo ideal es que todos los puntos de la placa sean equidistantes del conductor de energía), 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 menos de 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 rejillas 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 UB Thomas y WE Haring en Bell Labs en la década de 1930 y finalmente llevaron al desarrollo de aleaciones de rejilla de plomo y calcio en 1935 para baterías de energía de reserva en la red telefónica estadounidense. Investigaciones relacionadas con este tema condujeron 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 añaden antimonio, aunque en cantidades mucho menores que las rejillas antiguas con alto contenido de antimonio: las rejillas de plomo-calcio tienen entre un 4 y un 6 % de antimonio, mientras que las de plomo-selenio tienen entre un 1 y un 2 %. Estas mejoras metalúrgicas le dan a la rejilla más resistencia, lo que le permite soportar más peso y, por lo tanto, más material activo, y por lo tanto 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 eliminar antes de que la batería se vuelva inutilizable. Las rejillas de aleación con alto contenido de antimonio aún se utilizan en baterías destinadas a ciclos frecuentes, por ejemplo, en aplicaciones de arranque de motores donde se necesita compensar la expansión/contracción frecuente de las placas, pero donde la desgasificación no es significativa ya que las corrientes de carga permanecen bajas. Desde la década de 1950, las baterías diseñadas para aplicaciones con 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, menos gastos generales de mantenimiento. Las rejillas de aleación de plomo-calcio son más baratas de fabricar (por lo tanto, las celdas tienen menores costos iniciales), y tienen una tasa de autodescarga más baja y menores requisitos de irrigación, pero tienen una conductividad ligeramente peor, son mecánicamente más débiles (y, por lo tanto, requieren más antimonio para compensar) y están más sujetas a la corrosión (y, por lo tanto, una vida útil más corta) que las celdas con rejillas de aleación de plomo-selenio.
El efecto de circuito abierto es una pérdida drástica de la vida útil de la batería, que se observó cuando se sustituyó el calcio por antimonio. También se lo conoce como efecto de antimonio libre. [21]
La pasta moderna contiene negro de carbón , blanco fijo ( sulfato de bario ) y lignosulfonato . El blanco fijo actúa como un cristal semilla para la reacción de plomo a sulfato de plomo . El blanco fijo debe estar completamente disperso en la pasta para que sea eficaz. El lignosulfonato evita que la placa negativa forme una masa sólida durante el ciclo de descarga, lo que permite la formación de dendritas largas con forma de aguja . Los cristales largos tienen más superficie y se convierten fácilmente de nuevo al estado original al cargar. El negro de carbón contrarresta el efecto de inhibición de la formación causado 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 hidroendurecimiento, 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 final de carga. El naftaleno sulfonado requiere entre un tercio y la mitad de la cantidad de lignosulfonato y es estable a temperaturas más altas. [22]
Una vez secas, las placas se apilan con separadores adecuados y se insertan en un contenedor de celdas. Las placas alternas constituyen entonces electrodos positivos y negativos alternados, y dentro de la celda se conectan posteriormente 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 rieles o pernos aislantes, antes de vidrio o cerámica, y ahora de plástico. En las celdas AGM, el separador es la propia estera de vidrio, y el bastidor de placas con separadores se aprieta antes de la inserción en la celda; una vez en la celda, las esteras de vidrio se expanden ligeramente, bloqueando eficazmente las placas en su lugar. En las baterías de múltiples celdas, las celdas se conectan entre sí en serie, ya sea a través de conectores a través de las paredes de la celda, o por un puente sobre las paredes de la celda. Todas las conexiones intracelda e intercelda 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 dispuestos uno al lado del otro, por lo que su geometría se denomina tubular o cilíndrica. La ventaja de esto es una mayor superficie en contacto con el electrolito, con mayores corrientes de descarga y carga 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 para carretillas elevadoras o para arrancar motores diésel marinos. Sin embargo, debido a que los tubos/cilindros tienen menos material activo en el mismo volumen, también tienen una densidad de energía menor 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 se vuelva inutilizable. Los electrodos tubulares/cilíndricos también son más complicados de fabricar de manera uniforme, lo que tiende a hacerlos más caros que las celdas de placa plana. Estas compensaciones limitan la gama de aplicaciones en las que las baterías tubulares/cilíndricas son significativas a situaciones donde no hay espacio suficiente para instalar unidades de placa plana de mayor capacidad (y, por lo tanto, más grandes).
Aproximadamente el 60% del peso de una batería de plomo-ácido de tipo automotriz con una capacidad nominal de alrededor de 60 A·h es plomo o partes internas hechas de plomo; el resto es electrolito, separadores y la carcasa. [8] Por ejemplo, hay aproximadamente 8,7 kg (19 lb) de plomo en una batería típica de 14,5 kg (32 lb).
Los separadores entre las placas positiva y negativa evitan cortocircuitos a través del contacto físico, principalmente a través de dendritas ("arborización"), pero también a través del desprendimiento del material activo. Los separadores permiten el flujo de iones entre las placas de una celda electroquímica para formar un circuito cerrado. Se han utilizado madera, caucho, esteras de fibra de vidrio, celulosa y plástico PVC o polietileno para fabricar separadores. La madera fue la opción original, pero se deteriora en el electrolito ácido.
Un separador eficaz debe poseer una serie de propiedades mecánicas, entre ellas permeabilidad , porosidad, distribución del tamaño de los poros, área de superficie específica , diseño mecánico y resistencia, resistencia eléctrica , conductividad iónica y compatibilidad química con el electrolito. En servicio, el separador debe tener buena resistencia al ácido y a la oxidación . El área del separador debe ser un poco mayor que el área de las placas para evitar cortocircuitos entre ellas. Los separadores deben permanecer estables en el rango de temperatura de funcionamiento de la batería .
En el diseño de estera de fibra de vidrio absorbente (AGM), los separadores entre las placas se reemplazan por una estera de fibra de vidrio empapada en electrolito. Solo hay suficiente electrolito en la estera para mantenerla húmeda y, si se perfora la batería, el electrolito no saldrá de las esteras. El propósito principal de reemplazar el electrolito líquido en una batería inundada con una estera 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 estera de fibra de vidrio y reducir u oxidar la placa opuesta, respectivamente. En una celda inundada, las burbujas de gas flotan en 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 al perforar físicamente la caja 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, el ácido puede salir expulsado a través del respiradero de sobrepresión.
Para reducir la tasa de pérdida de agua, se alea calcio con las placas; sin embargo, la acumulación de gas sigue siendo un problema cuando la batería se carga o descarga en exceso o rápidamente. Para evitar la sobrepresurización de la carcasa de la batería, las baterías AGM incluyen una válvula de descarga unidireccional y, a menudo, se las conoce como diseños de "plomo-ácido regulados por válvula" o VRLA.
Otra ventaja del diseño AGM es que el electrolito se convierte en el material 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 energética en comparación con las versiones líquidas o de gel. Las baterías AGM suelen mostrar un "abultamiento" característico en sus carcasas cuando se construyen en formas rectangulares comunes, debido a la expansión de las placas positivas.
La estera también evita el movimiento vertical del electrolito dentro de la batería. Cuando una celda húmeda normal se almacena en un estado descargado, las moléculas de ácido más pesadas tienden a depositarse en el fondo de la batería, lo que hace que el electrolito se estratifique. Cuando la batería se utiliza, 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 una batería de automóvil convencional puede arruinarse si se la deja almacenada durante un período prolongado y luego se la utiliza y recarga. La estera evita significativamente esta estratificación, eliminando la necesidad de agitar periódicamente las baterías, hervirlas o realizar una "carga de ecualización" a través de ellas para mezclar el electrolito. La estratificación también hace que las capas superiores de la batería se conviertan casi completamente en agua, que puede congelarse en climas fríos; las AGM son significativamente menos susceptibles a sufrir daños debido al uso a baja temperatura.
Aunque las celdas AGM no permiten la adición de agua (normalmente es imposible añadir agua sin perforar un agujero en la batería), su proceso de recombinación está limitado fundamentalmente por los procesos químicos habituales. El gas hidrógeno se difundirá incluso a través de la propia carcasa de plástico. Algunos han descubierto que es rentable añadir agua a una batería AGM, pero esto debe hacerse lentamente para permitir que el agua se mezcle por toda la batería mediante difusión. Cuando una batería de plomo-ácido pierde agua, su concentración de ácido aumenta, lo que aumenta significativamente la tasa de corrosión de las placas. Las celdas AGM ya tienen un alto contenido de ácido en un intento de reducir la tasa de pérdida de agua y aumentar el voltaje en espera, y esto provoca una vida útil más corta en comparación con una batería inundada de plomo-antimonio. Si el voltaje de circuito abierto de las celdas AGM es significativamente superior a 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; aunque 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 según el agua perdida (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.
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 basadas en gel de sílice utilizadas en radios portátiles desde principios de la década de 1930 no estaban completamente selladas). Esto convierte el interior anteriormente líquido de las celdas en una pasta semirrígida, lo que proporciona muchas de las mismas ventajas de la AGM. Estos diseños son incluso menos susceptibles a la evaporación y se utilizan a menudo en situaciones en las que es poco o ningún mantenimiento periódico posible. Las celdas de gel también tienen puntos de congelación más bajos y de ebullición más altos que los electrolitos líquidos utilizados en las celdas húmedas convencionales y las AGM, lo que las hace adecuadas para su uso en condiciones extremas.
La única desventaja del diseño en gel es que este impide el movimiento rápido de los iones en el electrolito, lo que reduce la movilidad de los portadores y, por lo tanto, la capacidad de soportar corrientes de sobretensión. Por este motivo, las celdas de gel se encuentran con mayor frecuencia en aplicaciones de almacenamiento de energía, como los sistemas fuera de la red eléctrica.
Tanto los diseños de gel como los de AGM son sellados, no requieren riego, se pueden utilizar en cualquier orientación y utilizan una válvula para purgar el gas. Por este motivo, ambos diseños pueden denominarse libres de mantenimiento, sellados y VRLA. Sin embargo, es bastante común encontrar recursos que indiquen que estos términos se refieren 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 para formar agua. Las fugas son mínimas, aunque aún 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) la comprobación regular del nivel de electrolito, se las ha denominado baterías sin mantenimiento . Sin embargo, este es un nombre un tanto inapropiado: las celdas VRLA sí requieren mantenimiento. A medida que se pierde electrolito, las celdas VRLA se "secan" y pierden capacidad. Esto se puede detectar tomando mediciones periódicas de resistencia interna , conductancia o impedancia . Las pruebas periódicas revelan si se requieren pruebas y mantenimiento más complejos. Se han desarrollado procedimientos de mantenimiento recientes que permiten la "rehidratación", que a menudo restaura cantidades significativas de capacidad perdida.
Los tipos VRLA se hicieron populares en las motocicletas alrededor de 1983, [23] porque el electrolito ácido se absorbe en el separador, por lo que no se puede derramar. [24] El separador también los ayuda a soportar mejor la vibración. También son populares en aplicaciones estacionarias como sitios de telecomunicaciones, debido a su pequeño tamaño y flexibilidad de instalación. [25]
La mayoría de las baterías de plomo-ácido del mundo son baterías de arranque, iluminación e ignición (SLI) de automóviles, con un estimado de 320 millones de unidades enviadas en 1999. [8] En 1992 se utilizaron alrededor de 3 millones de toneladas de plomo en la fabricación de baterías.
Las baterías de reserva (estacionarias) de celda húmeda diseñadas para descarga profunda se utilizan comúnmente en grandes fuentes de alimentación de respaldo para centros telefónicos y de computadoras, almacenamiento de energía de la red y sistemas de energía eléctrica doméstica fuera de la red. [26] Las baterías de plomo-ácido se utilizan en iluminación de emergencia y para alimentar bombas de sumidero en caso de falla de energía .
Las baterías de tracción (propulsión) se utilizan en carros de golf y otros vehículos eléctricos a batería . Las baterías de plomo-ácido grandes también se utilizan para alimentar los motores eléctricos de los submarinos diésel-eléctricos (convencionales) cuando están sumergidos, y también se utilizan como energía de emergencia en submarinos nucleares . Las baterías de plomo-ácido reguladas por válvulas no pueden derramar su electrolito. Se utilizan en fuentes de alimentación de respaldo para alarmas y sistemas informáticos más pequeños (en particular en sistemas de alimentación ininterrumpida ) y para scooters eléctricos , sillas de ruedas eléctricas , bicicletas electrificadas , aplicaciones marinas, vehículos eléctricos a batería o vehículos microhíbridos y motocicletas. Muchas carretillas elevadoras eléctricas utilizan baterías de plomo-ácido, donde el peso se utiliza como parte de un contrapeso. Las baterías de plomo-ácido se usaban para suministrar el voltaje del filamento (calentador), con 2 V comunes en los primeros receptores de radio de tubo de vacío (válvula).
Las baterías portátiles para las linternas de los mineros suelen tener dos o tres celdas. [27]
Las baterías de plomo-ácido diseñadas para arrancar motores de automóviles no están diseñadas para una descarga profunda. Tienen una gran cantidad de placas delgadas diseñadas para una superficie máxima y, por lo tanto, una salida de corriente máxima, que pueden dañarse fácilmente por una descarga profunda. Las descargas profundas repetidas darán como resultado una pérdida de capacidad y, en última instancia, un fallo prematuro, ya que los electrodos se desintegran debido a las tensiones mecánicas que surgen del ciclo. Las baterías de arranque que se mantienen en una carga flotante continua sufrirán corrosión de los electrodos, lo que también dará como resultado un fallo prematuro. 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 son más livianas 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 carcasa de la batería. Esto permite que el material suelto y desintegrado se desprenda de las placas y se acumule en el fondo de la celda, lo que prolonga la vida útil de la batería. Si estos residuos sueltos se elevan lo suficiente, pueden tocar el fondo de las placas y provocar la falla de una celda, lo que da como resultado la pérdida de voltaje y capacidad de la batería.
Las celdas de ciclo profundo especialmente diseñadas son mucho menos susceptibles a la degradación debido al ciclo y son necesarias para aplicaciones donde 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 pico , pero pueden soportar descargas frecuentes. [28]
Algunas baterías están diseñadas como un equilibrio entre las de arranque (alta corriente) y las de ciclo profundo. Pueden descargarse en mayor medida que las baterías de automóviles, pero menos que las de ciclo profundo. Se las puede denominar baterías "marinas/para autocaravanas" o "baterías para uso recreativo".
La capacidad de una batería de plomo-ácido no es una cantidad fija, sino que varía en función de la velocidad de descarga. La relación empírica entre la velocidad de descarga y la capacidad se conoce como ley de Peukert .
Cuando se carga o descarga una batería, inicialmente sólo se ven afectadas las sustancias químicas reactivas, que se encuentran en la interfaz entre los electrodos y el electrolito. Con el tiempo, la carga almacenada en las sustancias químicas en la interfaz, a menudo denominada "carga de interfaz" o "carga de superficie", se extiende por difusión de estas sustancias químicas en todo el volumen del material activo.
Consideremos una batería que se ha descargado completamente (como ocurre cuando se dejan las luces del coche encendidas durante la noche, con un consumo de corriente de unos 6 amperios). Si luego se le da una carga rápida durante sólo unos minutos, las placas de la batería se cargan sólo cerca de la interfaz entre las placas y el electrolito. En este caso, el voltaje de la batería puede aumentar a un valor cercano al voltaje del cargador; esto hace que la corriente de carga disminuya significativamente. Después de unas horas, esta carga de la interfaz se extenderá al volumen del electrodo y el electrolito; esto conduce a una carga de la interfaz tan baja que puede ser insuficiente para arrancar el coche. [29] Mientras el voltaje de carga se mantenga por debajo del voltaje de gasificación (unos 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.
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 . [30] Generan electricidad a través de una reacción química de doble sulfato. El plomo y el dióxido de plomo, los materiales activos en las placas de la batería, reaccionan con el ácido sulfúrico en el electrolito para formar sulfato de plomo . El sulfato de plomo primero se forma en un estado amorfo finamente dividido y fácilmente se revierte a plomo, dióxido de plomo y ácido sulfúrico cuando la batería se recarga. A medida que las baterías pasan por numerosas descargas y cargas, algo de sulfato de plomo no se recombina en el electrolito y se convierte lentamente en una forma cristalina estable que ya no se disuelve al recargarse. Por lo tanto, no todo el plomo regresa 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, también ocurre cuando las baterías de plomo-ácido se dejan sin usar con una carga incompleta durante un tiempo prolongado. [31] Impide la recarga; los depósitos de sulfato finalmente se expanden, agrietando las placas y destruyendo la batería. Finalmente, gran parte del área de la placa de la batería no puede suministrar corriente, por lo que la capacidad de la batería se reduce en gran medida. Además, la porción de sulfato (del sulfato de plomo) no se devuelve al electrolito como ácido sulfúrico. Se cree que los cristales grandes bloquean físicamente el electrolito para que no entre en los poros de las placas. Puede verse una capa blanca en las placas en baterías con carcasas transparentes o después de desmontar la batería. Las baterías 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, una carga menos eficiente e incompleta y temperaturas más altas de la batería.
Las baterías SLI (de arranque, iluminación, encendido; por ejemplo, las baterías de automóviles) son las que sufren el mayor deterioro porque los vehículos normalmente permanecen sin uso durante períodos de tiempo relativamente largos. Las baterías de ciclo profundo y de fuerza motriz están sujetas a sobrecargas controladas periódicas, que 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. [32] No se conocen formas verificadas de forma independiente para revertir la sulfatación. [8] [33] Hay productos comerciales que afirman lograr la desulfatación mediante diversas técnicas, como la carga por pulsos, pero no hay publicaciones revisadas por pares que verifiquen sus afirmaciones. La prevención de la sulfatación sigue siendo la mejor medida, mediante la carga completa periódica de las baterías de plomo-ácido.
Una batería de plomo-ácido típica contiene una mezcla con concentraciones variables de agua y ácido. El ácido sulfúrico tiene una densidad mayor 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. Finalmente, la mezcla alcanzará nuevamente una composición uniforme por difusión , pero este es un proceso muy lento. Los ciclos repetidos de carga y descarga parciales aumentarán la estratificación del electrolito, lo que reducirá la capacidad y el rendimiento de la batería porque la falta de ácido en la parte superior limita la activación de las placas. La estratificación también promueve la corrosión en la mitad superior de las placas y la sulfatación en la parte inferior. [34]
La sobrecarga periódica crea productos de reacción gaseosos en la placa, lo que provoca 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 chapoteos y salpicaduras en las celdas, a medida que el vehículo acelera, frena y gira.
La carga excesiva provoca electrólisis , que emite hidrógeno y oxígeno. Este proceso se conoce como "gasificación". Las celdas húmedas tienen respiraderos abiertos para liberar cualquier gas producido, y las baterías VRLA dependen de válvulas instaladas en cada celda. Hay tapas catalíticas disponibles para celdas inundadas para recombinar hidrógeno y oxígeno. Una celda VRLA normalmente recombina cualquier hidrógeno y oxígeno producido dentro de la celda, pero un mal funcionamiento o sobrecalentamiento puede hacer que se acumule gas. Si esto sucede (por ejemplo, al sobrecargarse), entonces la válvula ventila el gas y normaliza la presión, produciendo un olor ácido característico. Sin embargo, las válvulas pueden fallar, por ejemplo, si se acumula suciedad y residuos, lo que permite que se acumule presión.
El hidrógeno y el oxígeno acumulados a veces se inflaman en una explosión interna . La fuerza de la explosión puede hacer que la carcasa de la batería reviente o que su parte superior salga volando, esparciendo ácido y fragmentos de la carcasa. Una explosión en una celda puede inflamar cualquier mezcla de gases combustibles 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 provocar chispas y una explosión, si se expulsa 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 suelen hincharse cuando aumenta la presión interna, lo que da una advertencia a los usuarios y mecánicos. La deformación varía de una celda a otra y es mayor en los extremos donde las paredes no están sostenidas por otras celdas. Estas baterías sobrepresurizadas deben aislarse y desecharse con cuidado. El personal que trabaja cerca de baterías con riesgo de explosión debe proteger sus ojos y piel expuesta de quemaduras por pulverización de ácido y fuego usando una pantalla facial , monos y guantes. El uso de gafas en lugar de una pantalla facial sacrifica la seguridad al dejar la cara expuesta a posibles fragmentos de ácido, caja o batería y calor de una posible explosión.
Según un informe de 2003 titulado "Getting the Lead Out", elaborado por Environmental Defense y el Ecology Center de Ann Arbor, Michigan, las baterías de los vehículos que circulan por la carretera contienen unas 2.600.000 toneladas métricas (2.600.000 toneladas largas; 2.900.000 toneladas cortas) de plomo. Algunos compuestos de plomo son extremadamente tóxicos. La exposición prolongada a cantidades incluso minúsculas de estos compuestos puede provocar daños cerebrales y renales, problemas de audición y problemas de aprendizaje en los niños. [35] La industria automovilística utiliza más de 1.000.000 toneladas métricas (980.000 toneladas largas; 1.100.000 toneladas cortas) de plomo al año, de las cuales el 90% se destina a baterías de plomo-ácido convencionales para vehículos. Aunque el reciclaje de plomo es una industria bien establecida, más de 40.000 toneladas métricas (39.000 toneladas largas; 44.000 toneladas cortas) acaban en vertederos cada año. Según el Inventario de Emisiones Tóxicas Federal, otras 70.000 toneladas métricas (69.000 toneladas largas; 77.000 toneladas cortas) se liberan en el proceso de extracción y fabricación de plomo. [36]
Se están realizando intentos para desarrollar alternativas (en particular para uso en automóviles) debido a las preocupaciones sobre las consecuencias ambientales de la eliminación inadecuada y de las operaciones de fundición del plomo , entre otras razones. Es poco probable que las alternativas las desplacen en aplicaciones como el arranque de motores o los sistemas de energía de respaldo, ya que las baterías, aunque pesadas, son de bajo costo.
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. [37] [ dudoso – discutir ] [ se necesita una mejor fuente ] Sin embargo, los documentos de la Administración de Protección Ambiental de los EE. UU. , desde 1982, han indicado tasas que varían entre el 60% y el 95%. [38] [39]
El plomo es altamente tóxico para los humanos y su reciclaje puede resultar en contaminación y contaminación de las personas, lo que resulta en numerosos y duraderos problemas de salud. [40] [41] Una clasificación identifica el reciclaje de baterías de plomo-ácido como el proceso industrial más mortal del mundo, en términos de años de vida ajustados por discapacidad perdidos, lo que resulta en entre 2.000.000 y 4.800.000 de años de vida humana individual perdidos, a nivel mundial. [42]
Los sitios de reciclaje de baterías de plomo-ácido 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. [39]
Un sistema eficaz de control de la contaminación es necesario para evitar las emisiones de plomo. Es necesario mejorar continuamente los diseños de hornos y plantas de reciclaje de baterías para cumplir con los estándares de emisiones de las fundiciones de plomo.
Los aditivos químicos se han utilizado desde que la batería de plomo-ácido se convirtió en un producto comercial para reducir la acumulación de sulfato de plomo en las placas y mejorar el estado de la batería cuando se añaden al electrolito de una batería de plomo-ácido ventilada. Estos tratamientos rara vez son eficaces, o nunca lo son. [43]
Dos compuestos utilizados para tales fines son las sales de Epsom y el EDTA . Las sales de Epsom reducen la resistencia interna de una batería débil o dañada y pueden permitir una pequeña prolongación de su vida útil. El EDTA se puede utilizar para disolver los depósitos de sulfato de las 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 o descarga, lo que produce el crecimiento y la distorsión de los electrodos y su desprendimiento en el electrolito. Una vez que el material activo se ha desprendido de las placas, no se puede volver a colocar en su posición mediante ningún tratamiento químico. De manera similar, los problemas físicos internos, como placas agrietadas, conectores corroídos o separadores dañados, no se pueden restaurar químicamente.
La corrosión de las partes metálicas externas de la batería de plomo-ácido es 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 formando sulfato de aluminio . Los conectores de cobre producen cristales de corrosión azules y blancos. La corrosión de los terminales de una batería se puede reducir recubriendo los terminales con vaselina o un producto disponible comercialmente fabricado para ese fin. [44]
Si la batería está demasiado llena de agua y electrolito, la expansión térmica puede hacer que parte del líquido salga por los orificios de ventilación hacia la parte superior de la batería. Esta solución puede reaccionar con el plomo y otros metales en el conector de la batería y provocar corrosión.
El electrolito puede filtrarse desde el sello de plástico al plomo donde los terminales de la batería penetran la carcasa de plástico.
Los vapores ácidos 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.
Estos datos sugieren que pueden producirse ciertos efectos neuroconductuales sutiles en niños con niveles muy bajos de PbB. (PbB significa nivel de plomo en sangre)
