Una batería de plomo-ácido regulada por válvula ( VRLA ) , comúnmente conocida como batería de plomo-ácido sellada ( SLA ) , [1] es un tipo de batería de plomo-ácido caracterizada por una cantidad limitada de electrolito (electrolito "privado") absorbido en un separador de placas o formado en un gel; proporción de las placas negativas y positivas de modo que se facilite la recombinación de oxígeno dentro de la celda ; y la presencia de una válvula de alivio que retiene el contenido de la batería independientemente de la posición de las celdas. [2]
Existen dos tipos principales de baterías VRLA: las de celdas de gel ( baterías de gel ) y las de celdas de fibra de vidrio absorbente ( AGM ) . [3] Las celdas de gel agregan polvo de sílice al electrolito, formando un gel espeso similar a una masilla. Las baterías AGM (de celdas de fibra de vidrio absorbente) cuentan con una malla de fibra de vidrio entre las placas de la batería que sirve para contener el electrolito y separar las placas. Ambos tipos de baterías VRLA ofrecen ventajas y desventajas en comparación con las baterías de plomo-ácido ventiladas e inundadas (VLA) o entre sí. [4]
Debido a su construcción, las baterías VRLA de tipo gel y AGM se pueden montar en cualquier orientación y no requieren un mantenimiento constante. El término "sin mantenimiento" es un nombre inapropiado, ya que las baterías VRLA requieren limpieza y pruebas funcionales periódicas. Se utilizan ampliamente en dispositivos eléctricos portátiles de gran tamaño, sistemas de energía fuera de la red y funciones similares, donde se necesitan grandes cantidades de almacenamiento a un costo menor que otras tecnologías de bajo mantenimiento como las de iones de litio .
La primera batería de gel de plomo-ácido fue inventada por Elektrotechnische Fabrik Sonneberg en 1934. [5] La batería de gel o VRLA moderna fue inventada por Otto Jache de Sonnenschein en 1957. [6] [7] La primera celda AGM fue la Cyclon, patentada por Gates Rubber Corporation en 1972 y ahora producida por EnerSys . [8] La Cyclon es una celda enrollada en espiral con electrodos de lámina de plomo finos. Varios fabricantes aprovecharon la tecnología para implementarla en celdas con placas planas convencionales. A mediados de la década de 1980, dos empresas del Reino Unido, Chloride y Tungstone, introdujeron simultáneamente baterías AGM de diez años de vida útil en capacidades de hasta 400 Ah, estimuladas por una especificación de British Telecom para baterías para soporte de nuevas centrales digitales. En el mismo período, Gates adquirió otra empresa del Reino Unido, Varley, especializada en baterías para aviones y militares. Varley adaptó la tecnología de lámina de plomo Cyclon para producir baterías de placa plana con una salida de alta tasa excepcional. Estos obtuvieron la aprobación para una variedad de aeronaves, incluidos los jets comerciales BAE 125 y 146, el Harrier y su derivado el AV8B, y algunas variantes del F16 como las primeras alternativas a las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) entonces estándar . [6]
Las celdas de plomo-ácido constan de dos placas de plomo, que sirven como electrodos , suspendidas en un electrolito que consiste en ácido sulfúrico diluido . Las celdas VRLA tienen la misma química, excepto que el electrolito está inmovilizado. En las AGM esto se logra con una estera de fibra de vidrio; en las baterías de gel o "celdas de gel", el electrolito está en forma de un gel similar a una pasta que se crea agregando sílice y otros agentes gelificantes al electrolito. [9]
Cuando una celda se descarga, el plomo y el ácido diluido experimentan una reacción química que produce sulfato de plomo y agua. Cuando una celda se carga posteriormente, el sulfato de plomo y el agua se convierten nuevamente en plomo y ácido. En todos los diseños de baterías de plomo-ácido, la corriente de carga debe ajustarse para que coincida con la capacidad de la batería para absorber la energía. Si la corriente de carga es demasiado grande, se producirá electrólisis , descomponiendo el agua en hidrógeno y oxígeno, además de la conversión prevista de sulfato de plomo y agua en dióxido de plomo, plomo y ácido sulfúrico (el proceso inverso del de descarga). Si se permite que estos gases escapen, como en una celda inundada convencional, será necesario agregar agua (o electrolito) a la batería de vez en cuando. En cambio, las baterías VRLA retienen los gases generados dentro de la batería siempre que la presión se mantenga dentro de niveles seguros. En condiciones normales de funcionamiento, los gases pueden recombinarse dentro de la propia batería, a veces con la ayuda de un catalizador, y no se necesita electrolito adicional. [10] [11] Sin embargo, si la presión excede los límites de seguridad, las válvulas de seguridad se abren para permitir que escape el exceso de gases y, al hacerlo, regulan la presión a niveles seguros (de ahí el término "válvula regulada" en "VRLA"). [12]
Cada celda de una batería VRLA tiene una válvula de alivio de presión que se activará cuando la batería comience a generar presión de gas hidrógeno, generalmente como resultado de una recarga. [12]
Las tapas de las celdas suelen tener difusores de gas incorporados que permiten la dispersión segura de cualquier exceso de hidrógeno que pueda formarse durante la sobrecarga . No están selladas permanentemente, pero están diseñadas para que no requieran mantenimiento. Se pueden orientar de cualquier manera, a diferencia de las baterías de plomo-ácido normales, que deben mantenerse en posición vertical para evitar derrames de ácido y para mantener la orientación de las placas en posición vertical. Las celdas pueden funcionar con las placas en posición horizontal ( estilo panqueque ), lo que puede mejorar la vida útil del ciclo. [13]
Las baterías AGM se diferencian de las baterías de plomo-ácido inundadas en que el electrolito se mantiene en las esteras de vidrio, en lugar de inundar libremente las placas. Se tejen fibras de vidrio muy finas en una estera para aumentar la superficie lo suficiente como para retener una cantidad suficiente de electrolito en las celdas durante su vida útil. Las fibras que componen la estera de vidrio fina no absorben el electrolito ácido y no se ven afectadas por él. Estas esteras se escurren entre un 2 y un 5 % después de sumergirlas en ácidos justo antes de terminar la fabricación.
Las placas de una batería AGM pueden tener cualquier forma. Algunas son planas, mientras que otras están dobladas o enrolladas. Tanto las baterías AGM de ciclo profundo como las de arranque están integradas en una carcasa rectangular de acuerdo con las especificaciones del código de baterías del Battery Council International (BCI).
Las baterías AGM son más resistentes a la autodescarga que las baterías convencionales dentro de un amplio rango de temperaturas. [14]
Al igual que con las baterías de plomo-ácido, para maximizar la vida útil de una batería AGM, es importante seguir las especificaciones de carga del fabricante. Se recomienda el uso de un cargador regulado por voltaje . [15] Existe una correlación directa entre la profundidad de descarga (DOD) y el ciclo de vida de la batería, [16] con diferencias entre 500 y 1300 ciclos según la DOD.
Originalmente , a principios de los años 1930 se produjo una especie de batería de gel para la alimentación de radio portátil de válvulas (tubos) de baja tensión (2, 4 o 6 V) mediante la adición de sílice al ácido sulfúrico. [17] En ese momento, la caja de vidrio estaba siendo reemplazada por celuloide y, más tarde, en los años 1930, por otros plásticos. Las primeras celdas "húmedas" en frascos de vidrio usaban válvulas especiales para permitir la inclinación de la dirección vertical a una horizontal entre 1927 y 1931 o 1932. [18] Las celdas de gel tenían menos probabilidades de tener fugas cuando el equipo portátil se manipulaba bruscamente.
Una batería de gel moderna es una batería VRLA con un electrolito gelificado ; el ácido sulfúrico se mezcla con sílice pirogénica , lo que hace que la masa resultante tenga una apariencia de gel y sea inmóvil. A diferencia de una batería de plomo-ácido de celda húmeda inundada, estas baterías no necesitan mantenerse en posición vertical. Las baterías de gel reducen la evaporación del electrolito, los derrames (y los problemas de corrosión posteriores ) comunes a la batería de celda húmeda y cuentan con una mayor resistencia a los golpes y las vibraciones . Químicamente son casi iguales a las baterías húmedas (no selladas), excepto que el antimonio en las placas de plomo se reemplaza por calcio y puede tener lugar la recombinación de gases.
Muchas motocicletas y vehículos todo terreno (ATV) modernos en el mercado utilizan baterías AGM para reducir la probabilidad de derrame de ácido en curvas, vibración o después de accidentes, y por razones de embalaje. La batería más liviana y pequeña se puede instalar en un ángulo extraño si es necesario para el diseño de la motocicleta. Debido a los mayores costos de fabricación en comparación con las baterías de plomo-ácido inundadas, las baterías AGM se utilizan actualmente en vehículos de lujo. A medida que los vehículos se vuelven más pesados y están equipados con más dispositivos electrónicos, como navegación y control de estabilidad , las baterías AGM se están utilizando para reducir el peso del vehículo y proporcionar una mejor confiabilidad eléctrica en comparación con las baterías de plomo-ácido inundadas.
Los BMW Serie 5 a partir de marzo de 2007 incorporan baterías AGM junto con dispositivos para recuperar la energía de frenado mediante frenado regenerativo y control por ordenador para garantizar que el alternador cargue la batería cuando el coche está desacelerando. Los vehículos utilizados en carreras de coches pueden utilizar baterías AGM debido a su resistencia a las vibraciones. Las baterías AGM también se utilizan habitualmente en vehículos clásicos, ya que es mucho menos probable que pierdan electrolito, lo que podría dañar paneles de la carrocería difíciles de reemplazar.
Las AGM de ciclo profundo también se utilizan comúnmente en instalaciones de energía solar y eólica fuera de la red como banco de almacenamiento de energía y en robótica amateur a gran escala , como las competiciones FIRST e IGVC .
Las baterías AGM se eligen habitualmente para sensores remotos, como las estaciones de monitoreo de hielo en el Ártico . Las baterías AGM, debido a su falta de electrolito libre, no se agrietan ni tienen fugas en estos entornos fríos.
Las baterías VRLA se utilizan ampliamente en sillas de ruedas eléctricas y scooters de movilidad reducida, ya que su emisión extremadamente baja de gases y ácidos las hace mucho más seguras para su uso en interiores. Las baterías VRLA también se utilizan en sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) como respaldo cuando se corta la energía eléctrica.
Las baterías VRLA también son la fuente de energía estándar en los planeadores, debido a su capacidad para soportar una variedad de actitudes de vuelo y un rango de temperatura ambiente relativamente amplio sin efectos adversos. Sin embargo, los regímenes de carga deben adaptarse a las variaciones de temperatura. [19]
Las baterías VRLA se utilizan en la flota de submarinos nucleares de EE. UU. debido a su densidad de potencia, eliminación de gases, mantenimiento reducido y mayor seguridad. [20]
Las baterías AGM y de gel también se utilizan para fines recreativos en el mar, siendo las AGM las más comunes. Varios proveedores ofrecen baterías marinas de ciclo profundo AGM. Por lo general, se las prefiere por su bajo mantenimiento y su calidad a prueba de derrames, aunque generalmente se las considera una solución menos rentable en comparación con las baterías inundadas tradicionales.
En aplicaciones de telecomunicaciones, las baterías VRLA que cumplen con los criterios del documento de requisitos GR-4228 de Telcordia Technologies , Niveles de certificación de cadenas de baterías de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA) basados en requisitos de seguridad y rendimiento, se recomiendan para su implementación en la planta externa (OSP) en ubicaciones como bóvedas ambientales controladas (CEV), recintos de equipos electrónicos (EEE) y casetas, y en estructuras no controladas como gabinetes. En relación con las VRLA en telecomunicaciones, el uso de equipos de medición tipo óhmico (OMTE) VRLA y equipos de medición similares a OMTE es un proceso bastante nuevo para evaluar las plantas de baterías de telecomunicaciones. [21] El uso adecuado de equipos de prueba óhmica permite realizar pruebas de baterías sin la necesidad de retirar las baterías del servicio para realizar pruebas de descarga costosas y que consumen mucho tiempo.
Las baterías de gel VRLA y AGM ofrecen varias ventajas en comparación con las baterías de plomo-ácido inundadas VRLA y las baterías de plomo-ácido convencionales. La batería se puede montar en cualquier posición, ya que las válvulas solo funcionan en fallas de sobrepresión. Dado que el sistema de batería está diseñado para ser recombinante y eliminar la emisión de gases en caso de sobrecarga, se reducen los requisitos de ventilación de la habitación y no se emiten humos ácidos durante el funcionamiento normal. Las emisiones de gases de las celdas inundadas tienen poca consecuencia en todas las áreas confinadas, excepto en las más pequeñas, y representan una amenaza muy pequeña para un usuario doméstico, por lo que una batería de celda húmeda diseñada para durar ofrece menores costos por kWh. En una batería de gel, el volumen de electrolito libre que podría liberarse en caso de daño a la caja o ventilación es muy pequeño. No hay necesidad (o capacidad) de verificar el nivel de electrolito o de rellenar el agua perdida debido a la electrólisis, lo que reduce los requisitos de inspección y mantenimiento. [22] Las baterías de celda húmeda se pueden mantener mediante un sistema de riego automático o recargándolas cada tres meses. El requisito de agregar agua destilada normalmente se debe a la sobrecarga. Un sistema bien regulado no debería requerir recargas con una frecuencia superior a cada tres meses.
Una desventaja subyacente de todas las baterías de plomo-ácido es la necesidad de un tiempo de ciclo de recarga relativamente largo que surge de un proceso de carga inherente de tres etapas : carga en bloque, carga de absorción y etapas de carga flotante (de mantenimiento). Todas las baterías de plomo-ácido, independientemente del tipo, se cargan en bloque rápidamente hasta aproximadamente el 70 % de su capacidad, durante la cual la batería aceptará una gran entrada de corriente, determinada en un punto de ajuste de voltaje, en unas pocas horas (con una fuente de carga capaz de suministrar la corriente de etapa en bloque de tasa C de diseño para una batería Ah dada).
Sin embargo, luego requieren un tiempo más largo en la etapa de carga de absorción intermedia de disminución gradual de la corriente después de la carga inicial, cuando la tasa de aceptación de carga de la batería LA se reduce gradualmente y la batería no acepta una tasa C más alta. Cuando se alcanza el punto de ajuste de voltaje de la etapa de absorción (y la corriente de carga se ha reducido gradualmente), el cargador cambia a un punto de ajuste de voltaje de flotación a una tasa C muy baja para mantener el estado de carga completa de la batería indefinidamente (la etapa de flotación compensa la autodescarga normal de la batería con el tiempo).
Si el cargador no logra proporcionar una duración de carga de etapa de absorción y una tasa C suficientes (se 'estabiliza' o se agota el tiempo, una falla común de los cargadores solares baratos) y un perfil de carga de flotación adecuado, la capacidad y la longevidad de la batería se reducirán drásticamente.
Para garantizar la máxima vida útil, una batería de plomo-ácido debe recargarse por completo lo antes posible después de un ciclo de descarga para evitar la sulfatación , y mantenerse en un nivel de carga completo mediante una fuente de flotación cuando está almacenada o inactiva (o almacenada seca recién salida de la fábrica, una práctica poco común hoy en día).
Al trabajar en un ciclo de descarga, una batería LA debe mantenerse a un DOD de menos del 50%, idealmente no más del 20-40% DOD; una verdadera [23] batería de ciclo profundo LA puede llevarse a un DOD más bajo (incluso un 80%) ocasional, pero estos ciclos de DOD mayores siempre imponen un precio de longevidad.
Los ciclos de vida útil de las baterías de plomo-ácido varían según el cuidado que se les dé; con el mejor cuidado, pueden alcanzar entre 500 y 1000 ciclos. Con un uso menos cuidadoso, se puede esperar una vida útil de tan solo 100 ciclos (todo depende también del entorno de uso).
Debido al calcio añadido a sus placas para reducir la pérdida de agua, una batería AGM o de gel sellada se recarga más rápidamente que una batería de plomo-ácido inundada, ya sea de diseño VRLA o convencional. [24] [25] En comparación con las baterías inundadas, las baterías VRLA son más vulnerables a la fuga térmica durante una carga abusiva. El electrolito no se puede probar con un hidrómetro para diagnosticar una carga incorrecta que puede reducir la vida útil de la batería. [25]
Las baterías de automóviles AGM suelen costar aproximadamente el doble que las baterías de celdas inundadas en un grupo de tamaño BCI determinado; las baterías de gel cuestan hasta cinco veces más.
Baterías AGM y de gel VRLA: