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 sobrecorrientes . Estas características, junto con su bajo costo, los hacen atractivos para su uso en vehículos de motor para proporcionar la alta corriente requerida por los motores de arranque . Las baterías de plomo-ácido tienen 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 las sobretensiones no son importantes 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), equivalente a un valor de mercado manufacturero de alrededor de 15 mil millones de dólares . [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 independientes . 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 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 ellos mismos una pequeña cantidad de corriente "secundaria" después de desconectar la batería principal. [9] 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 constaba de dos láminas de plomo separadas por tiras de goma y enrolladas en espiral. [10] Sus baterías se utilizaron por primera vez para encender las luces en los vagones de tren mientras estaba detenido 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 (desde 1886) de baterías de plomo-ácido fue Henri Tudor . [ cita necesaria ]
El uso de un electrolito en gel en lugar de un líquido permite utilizar la batería en diferentes posiciones sin fugas. Las baterías de electrolitos de gel para cualquier posición se utilizaron por primera vez a finales de la década de 1920, y en la década de 1930, los equipos de radio portátiles tipo maleta permitían montar la celda 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"), que incluía tipos modernos de estera de vidrio absorbido (AGM), que permitían 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 sales fundidas, como Ca-Sb y Sn-Bi, también utilizan este efecto. [12] [13]
En el estado descargado, tanto la placa positiva como la negativa 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 le da al electrodo de plomo una carga negativa.
A medida que los electrones se acumulan, crean un campo eléctrico que atrae iones de hidrógeno y repele 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 adicional, 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 en PbSO
4(s) es de aproximadamente 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 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 produce sólo entre 30 y 40 vatios-hora por kilogramo de batería, debido a la masa del agua y otros componentes.
En el estado de carga completa, la placa negativa está compuesta de 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 tensiones de carga elevadas 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 reponer el que se haya perdido por esta vía.
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 ambos platos. Lo contrario ocurre durante la carga. Este movimiento puede ser un flujo de protones impulsado eléctricamente (el mecanismo de Grotthuss ), o por difusión a través del medio, o por el flujo de un medio electrolítico 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 en medio líquido tiende a descargarse rápidamente 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 ventaja importante sobre otras químicas: es relativamente sencillo 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 utilizaba en submarinos diésel-eléctricos , la gravedad específica se medía periódicamente 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 sobre el 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 por cada celda. Para una sola celda, el voltaje puede variar desde 1,8 V cargada con descarga completa hasta 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 fluya una corriente de carga). [17] [18] Los valores específicos para una batería determinada dependen del diseño y de las recomendaciones del fabricante, y generalmente se dan a una temperatura inicial de 20 °C (68 °F), lo que requiere ajustes según 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. [19]
La celda de plomo-ácido se puede demostrar utilizando placas de plomo para los dos electrodos. Sin embargo, una construcción de este tipo produce sólo alrededor de un amperio para placas del tamaño aproximado de una postal y durante sólo unos minutos.
Gaston Planté encontró la manera 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 hoja de tela y enrolladas. Inicialmente, las celdas tenían baja capacidad, por lo que se requirió un lento proceso de "formación" para corroer las láminas de plomo, creando dióxido de plomo en las placas y haciéndolas ásperas para aumentar el área de superficie. Inicialmente, este proceso utilizaba electricidad procedente de baterías primarias; cuando los generadores estuvieron disponibles después de 1870, el costo de producir baterías disminuyó considerablemente. [8] Las placas 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 ambiente de alta humedad. El proceso de curado transformó la pasta en una mezcla de sulfatos de plomo que se adhirieron a la placa de plomo. Luego, durante la carga inicial de la batería (llamada "formación"), la pasta curada de 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. [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. aplicado.
La rejilla desarrollada por Faure era de plomo puro con bielas de plomo en ángulo recto. Por el contrario, las redes 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 estén equidistantes del conductor de alimentación), los procesos modernos también aplican una o dos finas esteras 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, al cabo de un año (1881) éstas 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 tanto, una mayor desgasificación y mayores costes de mantenimiento. Estos problemas fueron identificados por UB Thomas y WE Haring en los Laboratorios Bell en la década de 1930 y finalmente condujeron al desarrollo de aleaciones de rejilla de plomo y calcio en 1935 para baterías de energía de reserva en la red telefónica de Estados Unidos. Investigaciones relacionadas condujeron al desarrollo de aleaciones de rejilla de plomo y selenio en Europa unos años más tarde. Tanto las aleaciones de rejilla de plomo-calcio como las de plomo-selenio todavía agregan antimonio, aunque en cantidades mucho más pequeñas que las antiguas rejillas con alto contenido de antimonio: las rejillas de plomo-calcio tienen entre un 4% y un 6% de antimonio, mientras que las rejillas 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, 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 eliminar antes de que la batería se agote. inutilizable. Las rejillas de aleación con alto contenido de antimonio todavía se utilizan en baterías destinadas a ciclos frecuentes, por ejemplo, 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 permanecen 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 de mantenimiento. Las rejillas de aleación de plomo y 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 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 a una vida útil más corta) que las celdas con rejillas de aleación de plomo y selenio.
El efecto de circuito abierto es una pérdida dramática de la vida útil de la batería, que se observó cuando se sustituyó el antimonio por calcio. También se le conoce como efecto libre de antimonio. [21]
La pasta moderna contiene negro de humo , blanc fixe ( sulfato de bario ) y lignosulfonato . El blanco fijo actúa como cristal semilla para la reacción de plomo- 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, permitiendo en cambio la formación de dendritas largas en forma de agujas . Los cristales largos tienen más superficie y se vuelven fácilmente a su estado original al cargarlos. El negro de humo contrarresta el efecto inhibidor 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 hidrofraguado, 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. La naftaleno sulfonada requiere aproximadamente de un tercio a 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 recipiente celular. Las placas alternas constituyen entonces electrodos positivos y negativos alternos, 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 carriles o montantes aislantes, antes de vidrio o cerámica, y ahora de plástico. En las celdas AGM, el separador es la propia estera de vidrio, y la rejilla de placas con separadores se aprietan entre sí antes de insertarlas en la celda; Una vez en la celda, las esteras 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 intra e interceldas 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 hilera 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 corrientes de descarga y carga 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 diésel 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 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 en las que no hay suficiente espacio 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 de alrededor de 60 A·h es plomo o partes internas hechas de plomo; el resto es electrolito, separadores y caja. [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 por contacto físico, principalmente por dendritas ("treeing"), pero también por desprendimiento del material activo. Los separadores permiten que el flujo de iones entre las placas de una celda electroquímica forme un circuito cerrado. Para fabricar los separadores se han utilizado madera, caucho, esteras de fibra de vidrio, celulosa y plástico PVC o polietileno . La madera fue la elección original, pero se deteriora con el electrolito ácido.
Un separador eficaz debe poseer una serie de propiedades mecánicas, incluida la permeabilidad , la porosidad, la distribución del tamaño de los poros, el área superficial específica , el diseño y la resistencia mecánicos, la resistencia eléctrica , la conductividad iónica y la 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 de material entre las placas. Los separadores deben permanecer estables en el rango de temperatura de funcionamiento de la batería .
En el diseño de estera 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 alfombra para mantenerla húmeda y, si la batería se perfora, el electrolito no saldrá de las alfombras. El objetivo principal de sustituir el electrolito líquido en una batería inundada por 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 vidrio y reducir u oxidar la placa opuesta, respectivamente. En una celda inundada, las burbujas de gas flotan hasta 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, es posible que salga ácido 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 profunda o rápidamente. Para evitar la sobrepresurización de la carcasa de la batería, las baterías AGM incluyen una válvula de purga 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 separador y es mecánicamente fuerte. 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 en gel. Las baterías AGM a menudo muestran un "abultamiento" característico en sus carcasas cuando se construyen en formas rectangulares comunes, debido a la expansión de las placas positivas.
La alfombra 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 provoca que el electrolito se estratifique. Cuando se utiliza la batería, la mayor parte de la corriente fluye sólo en esta zona 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 deja almacenada durante un período prolongado y luego se usa y recarga. La estera evita significativamente esta estratificación, eliminando la necesidad de agitar periódicamente las baterías, hervirlas o pasar 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 por completo en agua, que puede congelarse en climas fríos; Los AGM son significativamente menos susceptibles a sufrir daños debido al uso a bajas temperaturas.
Si bien las células AGM no permiten el riego (normalmente es imposible añadir agua sin perforar un agujero en la batería), su proceso de recombinación está fundamentalmente limitado por los procesos químicos habituales. El gas hidrógeno incluso se difundirá 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 en toda la batería mediante difusión. Cuando una batería de plomo-ácido pierde agua, su concentración de ácido aumenta, aumentando significativamente la velocidad 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 de espera, y esto reduce la vida útil en comparación con una batería inundada de plomo y antimonio. Si el voltaje del 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 mayor 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.
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 utilizadas en radios portátiles de principios de la década de 1930 no estaban completamente selladas). Esto convierte el interior de las células, anteriormente líquido, en una pasta semirrígida, proporcionando muchas de las mismas ventajas del AGM. Estos diseños son incluso menos susceptibles a la evaporación y, a menudo, se utilizan en situaciones en las que es posible un mantenimiento periódico escaso o nulo. 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 convencionales y los AGM, lo que las hace adecuadas para su uso en condiciones extremas.
El único inconveniente del diseño del gel es que el gel 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.
Tanto el diseño de gel como el de AGM están sellados, no requieren riego, se pueden usar en cualquier orientación y usan una válvula para purga de gas. Por este motivo, ambos diseños pueden denominarse libres de mantenimiento, sellados y VRLA. Sin embargo, es bastante común encontrar recursos que afirman que estos términos se refieren a uno u otro de estos diseños, específicamente.
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. Las fugas son mínimas, 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 verificación periódica del nivel de electrolito, se las ha denominado baterías libres de mantenimiento . Sin embargo, este es un nombre poco apropiado: las células VRLA requieren mantenimiento. A medida que se pierde electrolito, las células VRLA se "secan" y pierden capacidad. Esto se puede detectar tomando medidas periódicas de resistencia interna , conductancia o impedancia . Las pruebas periódicas revelan si se requieren pruebas y mantenimiento más complicados. Se han desarrollado procedimientos de mantenimiento recientes que permiten la "rehidratación", restaurando a menudo cantidades importantes 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 puede derramarse. [24] El separador también les ayuda a soportar mejor las vibraciones. También son populares en aplicaciones estacionarias como sitios de telecomunicaciones, debido a su tamaño reducido y flexibilidad de instalación. [25]
La mayoría de las baterías de plomo-ácido del mundo son baterías de arranque, iluminación y encendido (SLI) de automóviles, y se estima que en 1999 se enviaron 320 millones de unidades. [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 suministros de energía de respaldo para centros telefónicos y de computación, almacenamiento de energía de la red y sistemas de energía eléctrica domésticos 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 corte de energía .
Las baterías de tracción (propulsión) se utilizan en carritos de golf y otros vehículos eléctricos de batería . Las grandes baterías de plomo-ácido 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 los 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 (particularmente en fuentes de alimentación ininterrumpida ) y para scooters eléctricos , sillas de ruedas eléctricas , bicicletas electrificadas , aplicaciones marinas, vehículos eléctricos de batería o vehículos microhíbridos y motocicletas. Muchos montacargas eléctricos utilizan baterías de plomo-ácido, donde el peso se utiliza como parte de un contrapeso. Se utilizaron baterías de plomo-ácido para suministrar el voltaje del filamento (calentador), siendo 2 V común en los primeros receptores de radio de tubo de vacío (válvula).
Las baterías portátiles para los faros 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 descarga profunda. Tienen una gran cantidad de placas delgadas diseñadas para una superficie máxima y, por lo tanto, una salida de corriente máxima, que puede dañarse fácilmente con una descarga profunda. Las descargas profundas repetidas provocarán una pérdida de capacidad y, en última instancia, un fallo prematuro, ya que los electrodos se desintegran debido a las tensiones mecánicas que surgen de los ciclos. Las baterías de arranque mantenidas en carga flotante continua sufrirán corrosión en los electrodos, lo que también provocará fallas prematuras. Por lo tanto, las baterías de arranque deben mantenerse en circuito abierto pero cargarse periódicamente (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 caja de la batería. Esto permite que el material suelto y desintegrado se caiga de las placas y se acumule en el fondo de la celda, prolongando la vida útil de la batería. Si estos residuos sueltos se elevan lo suficiente, pueden tocar la parte inferior de las placas y provocar la falla de una celda, lo que resulta en una 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 ( montacargas , carritos de golf , automóviles eléctricos y otros) y fuente de poder ininterrumpida . Estas baterías tienen placas más gruesas que pueden entregar menos corriente máxima , pero pueden soportar descargas frecuentes. [28]
Algunas baterías están diseñadas como un equilibrio entre arranque (alta corriente) y ciclo profundo. Pueden descargarse en mayor medida que las baterías de automóviles, pero menos que las baterías de ciclo profundo. Pueden denominarse baterías "marinas/autocaravanas" o "baterías de ocio".
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 tasa de descarga y capacidad se conoce como ley de Peukert .
Cuando una batería se carga o descarga, inicialmente sólo se ven afectados los productos químicos que reaccionan, que se encuentran en la interfaz entre los electrodos y el electrolito. Con el tiempo, la carga almacenada en los productos químicos en la interfaz, a menudo llamada "carga de interfaz" o "carga superficial", se propaga por difusión de estos productos químicos por todo el volumen del material activo.
Considere una batería que se ha descargado completamente (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 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 podría aumentar a un valor cercano al del voltaje del cargador; esto hace que la corriente de carga disminuya significativamente. Después de unas horas, esta carga de interfaz se extenderá al volumen del electrodo y del electrolito; esto provoca una carga de interfaz tan baja que puede resultar insuficiente para arrancar el coche. [29] Mientras el voltaje de carga se mantenga por debajo del voltaje de gasificación (aproximadamente 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 doble reacción química de 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 fácilmente se convierte 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 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. Impide la recarga; Los depósitos de sulfato finalmente se expanden, agrietando las placas y destruyendo la batería. Al final, gran parte del área de la placa de la batería no puede suministrar corriente, por lo que la capacidad de la batería se reduce considerablemente. Además, la porción de sulfato (del sulfato de plomo) no regresa al electrolito en forma de ácido sulfúrico. Se cree que los cristales grandes bloquean físicamente la entrada del electrolito en los poros de las placas. Es posible que se vea una capa blanca en las placas en baterías con estuche transparente o después de desmantelar la batería. Las baterías sulfatadas muestran una alta resistencia interna y pueden entregar sólo 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 prolongados, cargas menos eficientes e incompletas y temperaturas más altas de la batería.
Las baterías SLI (arranque, iluminación, encendido; por ejemplo, baterías de automóviles) sufren el mayor deterioro porque los vehículos normalmente permanecen sin uso durante períodos de tiempo relativamente largos. Las baterías de ciclo profundo y de energía motriz están sujetas a sobrecargas controladas periódicas y eventualmente 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 completamente inmediatamente después de un ciclo de descarga. [31] No se conocen formas verificadas de forma independiente para revertir la sulfatación. [8] [32] Hay productos comerciales que afirman lograr la desulfatación mediante diversas técnicas, como la carga por impulsos, pero no hay publicaciones revisadas por pares que verifiquen sus afirmaciones. La prevención de la sulfatación sigue siendo el mejor curso de acción, cargando periódicamente por completo 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 el fondo de la batería. Con el tiempo, 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. [33]
La sobrecarga periódica crea productos de reacción gaseosos en la placa, provocando 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.
Una carga excesiva provoca electrólisis , emitiéndose hidrógeno y oxígeno. Este proceso se conoce como "gaseado". Las celdas húmedas tienen respiraderos abiertos para liberar el gas producido y las baterías VRLA dependen de válvulas instaladas en cada celda. Hay tapas catalíticas disponibles para que las células inundadas recombinen 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 provocar 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 acumula suciedad y residuos, 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 despedida, 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 provocar chispas y una explosión, si se expulsa 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 generalmente se hinchan cuando aumenta la presión interna, lo que avisa a los usuarios y mecánicos. La deformación varía de una célula a otra y es mayor en los extremos donde las paredes no están sostenidas por otras células. Estas baterías sobrepresurizadas deben aislarse y desecharse cuidadosamente. El personal que trabaja cerca de baterías con riesgo de explosión debe proteger sus ojos y la piel expuesta de quemaduras debidas a la pulverización de ácido y fuego usando 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 voladores y al 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 en la carretera contenían aproximadamente 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 incluso a cantidades pequeñas de estos compuestos puede causar daño cerebral y renal, discapacidad auditiva y problemas de aprendizaje en los niños. [34] La industria automotriz utiliza más de 1.000.000 de toneladas métricas (980.000 toneladas largas; 1.100.000 toneladas cortas) de plomo cada año, y el 90% se destina a baterías convencionales de plomo-ácido para vehículos. 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 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. [35]
Se están realizando intentos para desarrollar alternativas (particularmente para uso automotriz) debido a la preocupación por las consecuencias ambientales de la eliminación inadecuada y de las operaciones de fundición de plomo , entre otras razones. Es poco probable que las alternativas las desplacen en aplicaciones como arranque de motores o 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 Estados Unidos, el 99 % de todo el plomo de las baterías se recicló entre 2014 y 2018. [36] [ dudoso ] [ se necesita mejor fuente ] Sin embargo, documentos de la Administración de Protección Ambiental de EE. UU. , desde 1982, han indicado tasas que varían entre el 60 % y 95%. [37] [38]
El plomo es altamente tóxico para los humanos, y su reciclaje puede provocar contaminación y contaminación de las personas, lo que genera numerosos y duraderos problemas de salud. [39] [40] 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 en función de la discapacidad , lo que da como resultado entre 2.000.000 y 4.800.000 de años estimados de vida humana individual perdidos, a nivel mundial. [41]
Los sitios de reciclaje de baterías de plomo-ácido se han convertido en sí mismos 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 de Prioridades Nacionales. [38]
Un sistema eficaz de control de la contaminación es necesario para prevenir las emisiones de plomo. Se requiere una mejora continua en las plantas de reciclaje de baterías y en los diseños de hornos para mantener el ritmo de los estándares de emisiones para las fundiciones de plomo.
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 el estado de la batería cuando se agregan al electrolito de una batería de plomo-ácido ventilada. Estos tratamientos rara vez son eficaces, o nunca. [42]
Dos compuestos utilizados 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 extensión de vida. 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 esperanza 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 produce crecimiento y distorsión de los electrodos y su desprendimiento en el electrolito. Una vez que el material activo se ha caído de las placas, no puede recuperarse 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 resulta 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 formar 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 cubriéndolos con vaselina o un producto disponible comercialmente fabricado para tal fin. [43]
Si la batería se llena demasiado con agua y electrolito, la expansión térmica puede forzar 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 del conector de la batería y provocar corrosión.
El electrolito puede filtrarse desde el sello de plástico a plomo donde los terminales de la batería penetran la caja 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.
datos sugieren que ciertos efectos neuroconductuales sutiles en los niños pueden ocurrir con PbB muy bajos. (PbB significa nivel de plomo en sangre)
