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 "muerto") absorbido en un separador de placas o formado en un gel; dosificación de las placas negativa y positiva de manera que se facilite la recombinación de oxígeno dentro de la célula ; y la presencia de una válvula de alivio que retiene el contenido de la batería independientemente de la posición de las celdas. [2]
Hay dos tipos principales de baterías VRLA: estera de vidrio absorbente ( AGM ) y celda de gel ( batería de gel ). [3] Las celdas de gel añaden polvo de sílice al electrolito, formando un gel espeso parecido a una masilla. Las baterías AGM (esterilla 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 (VLA) o entre sí. [4]
Debido a su construcción, los tipos de VRLA con celda de gel y AGM se pueden montar en cualquier orientación y no requieren mantenimiento constante. El término "sin mantenimiento" es un nombre inapropiado ya que las baterías VRLA aún requieren limpieza y pruebas funcionales periódicas. Se utilizan ampliamente en grandes dispositivos eléctricos portátiles, 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 moderna batería de gel o VRLA 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 producido por EnerSys . [8] El ciclón es una celda enrollada en espiral con finos electrodos de lámina de plomo. 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 con una vida útil de diez años y capacidades de hasta 400 Ah, estimuladas por una especificación de British Telecom para baterías destinadas a soportar nuevos intercambios digitales. En el mismo período, Gates adquirió otra empresa británica, Varley, especializada en aviones y baterías militares. Varley adaptó la tecnología de láminas de plomo Cyclon para producir baterías de placa plana con una salida excepcionalmente alta. Estos obtuvieron la aprobación para una variedad de aviones, incluidos los aviones comerciales BAE 125 y 146, el Harrier y su derivado el AV8B, y algunas variantes del F16 como las primeras alternativas a las baterías estándar de níquel-cadmio (Ni-Cd) . [6]
Las pilas de plomo-ácido constan de dos placas de plomo, que sirven como electrodos , suspendidas en un electrolito compuesto de ácido sulfúrico diluido . Las células VRLA tienen la misma química, excepto que el electrolito está inmovilizado. En AGM esto se logra con una estera de fibra de vidrio; En las baterías de gel o "celdas de gel", el electrolito tiene la forma de un gel parecido a una pasta creado agregando sílice y otros agentes gelificantes al electrolito. [9]
Cuando una celda se descarga, el plomo y el ácido diluido sufren una reacción química que produce sulfato de plomo y agua. Cuando se carga posteriormente una celda, 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 (lo contrario del proceso 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. Por el contrario, 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 "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 la recarga. [12]
Las cubiertas de las celdas suelen tener difusores de gas integrados que permiten la dispersión segura de cualquier exceso de hidrógeno que pueda formarse durante la sobrecarga . No están sellados permanentemente, pero están diseñados para no requerir 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 mantener la orientación vertical de las placas. Las celdas pueden operarse con las placas horizontales ( estilo panqueque ), lo que puede mejorar el ciclo de vida. [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 el área de superficie lo suficiente como para mantener una cantidad suficiente de electrolito en las celdas durante toda su vida útil. Las fibras que componen la fina estera de vidrio no absorben ni se ven afectadas por el electrolito ácido. Estas esteras se escurren entre un 2% y un 5% después de remojarlas en ácidos justo antes de terminar de fabricarlas.
Las placas de una batería AGM pueden tener cualquier forma. Algunos son planos, mientras que otros están doblados o enrollados. Tanto las baterías AGM de ciclo profundo como de arranque están integradas en una caja 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 dependiendo del DOD.
Originalmente, a principios de la década de 1930 se produjo una especie de batería de gel para el suministro de radio LT de válvula (tubo) portátil (2, 4 o 6 V) añadiendo sílice al ácido sulfúrico. [17] En ese momento la vitrina estaba siendo reemplazada por celuloide y más tarde, en la década de 1930, por otros plásticos. Las celdas "húmedas" anteriores en frascos de vidrio usaban válvulas especiales para permitir la inclinación de una dirección vertical a una horizontal entre 1927 y 1931 o 1932. [18] Era menos probable que las celdas de gel tuvieran fugas cuando el equipo portátil se manipulaba con brusquedad.
Una batería de gel moderna es una batería VRLA con electrolito gelificado ; El ácido sulfúrico se mezcla con sílice pirógena , lo que hace que la masa resultante parezca gel e 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 posteriores problemas de corrosión ) comunes a las baterías 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 de las placas de plomo se reemplaza por calcio y puede tener lugar la recombinación de gases.
Muchas motocicletas y vehículos todo terreno (ATV) modernos del mercado utilizan baterías AGM para reducir la probabilidad de derrame de ácido al tomar curvas, vibraciones o después de accidentes, y por motivos de embalaje. La batería más pequeña y liviana se puede instalar en un ángulo extraño si es necesario para el diseño de la motocicleta. Debido a los mayores costes 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 , se están empleando baterías AGM para reducir el peso del vehículo y proporcionar una mejor confiabilidad eléctrica en comparación con las baterías inundadas de plomo-ácido.
Los BMW serie 5 de marzo de 2007 incorporan baterías AGM junto con dispositivos de recuperación de energía de frenado mediante frenado regenerativo y control por computadora para garantizar que el alternador cargue la batería cuando el automóvil desacelera. Los vehículos utilizados en carreras de autos pueden usar baterías AGM debido a su resistencia a las vibraciones. Las baterías AGM también se utilizan comúnmente en vehículos clásicos, ya que es mucho menos probable que pierdan electrolitos, lo que podría dañar los paneles de la carrocería difíciles de reemplazar.
Los AGM de ciclo profundo también se utilizan habitualmente en instalaciones de energía solar y eólica aisladas 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 seguimiento del hielo en el Ártico . Las baterías AGM, debido a su falta de electrolito libre, no se agrietarán ni tendrán fugas en estos ambientes fríos.
Las baterías VRLA se utilizan ampliamente en sillas de ruedas eléctricas y scooters de movilidad, ya que la producción extremadamente baja de gas y ácido las hace mucho más seguras para uso en interiores. Las baterías VRLA también se utilizan en el sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) 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 celda de gel también se utilizan para fines marinos recreativos, siendo las AGM las más comúnmente disponibles. Varios proveedores ofrecen baterías marinas de ciclo profundo AGM. Por lo general, se prefieren por su bajo mantenimiento y su calidad a prueba de derrames, aunque generalmente se consideran una solución menos rentable en comparación con las celdas 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 válvulas (VRLA) basadas en requisitos de seguridad y rendimiento, se recomiendan para su implementación en la planta externa (OSP). ) en lugares como bóvedas ambientales controladas (CEV), gabinetes de equipos electrónicos (EEE) y cabañas, y en estructuras no controladas como gabinetes. En relación con VRLA en telecomunicaciones, el uso de equipos de tipo de medición óhmica (OMTE) VRLA y equipos de medición similares a OMTE es un proceso bastante nuevo para evaluar plantas de baterías de telecomunicaciones. [21] El uso adecuado de equipos de prueba óhmica permite realizar pruebas de baterías sin necesidad de retirarlas del servicio para realizar pruebas de descarga costosas y que requieren mucho tiempo.
Las baterías VRLA de gel 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 sólo funcionan en caso de fallos de sobrepresión. Dado que el sistema de batería está diseñado para ser recombinante y eliminar la emisión de gases en caso de sobrecarga, los requisitos de ventilación de la habitación se reducen y no se emiten vapores ácidos durante el funcionamiento normal. Las emisiones de gases de celdas inundadas tienen pocas consecuencias excepto en las áreas confinadas más pequeñas, y representan muy poca amenaza para un usuario doméstico, por lo que una batería de celdas húmedas diseñada para una mayor longevidad ofrece costos más bajos por kWh. En una batería de gel, el volumen de electrolito libre que podría liberarse si se daña la carcasa o se ventila es muy pequeño. No hay necesidad (ni capacidad) de comprobar el nivel de electrolito ni de rellenar el agua perdida debido a la electrólisis, lo que reduce los requisitos de inspección y mantenimiento. [22] Las baterías de celdas húmedas se pueden mantener mediante un sistema de riego automático o rellenándolas cada tres meses. La necesidad de añadir agua destilada normalmente se debe a una sobrecarga. Un sistema bien regulado no debería requerir recargas con más frecuencia que cada tres meses.
Una desventaja subyacente de todas las baterías de plomo-ácido es el requisito de un ciclo de recarga relativamente largo que surge de un proceso de carga inherente de tres etapas : carga masiva, carga de absorción y carga flotante (de mantenimiento). Todas las baterías de plomo-ácido, independientemente del tipo, se cargan rápidamente en masa hasta aproximadamente el 70% de su capacidad, durante lo 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 masiva de tasa C de diseño para una batería Ah determinada).
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 masiva inicial, cuando la tasa de aceptación de carga de la batería LA se reduce gradualmente y la batería no aceptará una tasa C más alta. Cuando se alcanza el punto de ajuste de voltaje de la etapa de absorción (y la corriente de carga ha disminuido), 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 auto-regulación normal de la batería). descarga con el tiempo).
Si el cargador no proporciona una duración de carga de etapa de absorción y una tasa C suficientes (se estanca o se agota, un fallo 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 completamente tan pronto como sea posible después de un ciclo de descarga para evitar la sulfatación , y mantenerse en un nivel de carga completa mediante una fuente flotante cuando esté almacenada o inactiva (o almacenada seca nueva de fábrica, una práctica poco común hoy en día).
Cuando se realiza un ciclo de descarga, una batería LA debe mantenerse a una DOD inferior al 50 %, idealmente no más del 20-40 % DOD; una verdadera batería de ciclo profundo [23] LA puede llevarse a un DOD más bajo (incluso un ocasional 80%), pero estos ciclos DOD mayores siempre imponen un precio de longevidad.
Los ciclos de vida útil de las baterías de plomo-ácido variarán según el cuidado que se les brinde; con el mejor cuidado pueden alcanzar de 500 a 1000 ciclos. Con un uso menos cuidadoso, se podría esperar una vida útil de tan solo 100 ciclos (todo depende también del entorno de uso).
Debido al calcio agregado 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 de VRLA o de diseño 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 inadecuada que puede reducir la vida útil de la batería. [25]
Las baterías de automóvil AGM suelen costar aproximadamente el doble del precio de las baterías de celda inundada en un grupo de tamaño de BCI determinado; baterías de gel hasta cinco veces el precio.
Baterías AGM y gel VRLA: