Cómo Funciona la Batería de Ácido de Plomo | ES

Inventada por el médico francés Gaston Planté en 1859, el ácido de plomo fue la primera batería recargable para uso comercial. A pesar de su avanzada edad, la química del plomo continúa siendo ampliamente utilizada hoy en día. Hay buenas razones para su popularidad; el ácido de plomo es confiable y económico en términos de costo por vatio. Hay pocas baterías que entreguen energía a granel tan económicamente como el ácido de plomo, lo que hace que la batería sea rentable para automóviles, carritos de golf, montacargas, embarcaciones marinas y fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS).

La estructura de rejilla de la batería de ácido de plomo está hecha de una aleación de plomo. El plomo puro es demasiado suave y no se sostendría por sí mismo, por lo que se agregan pequeñas cantidades de otros metales para obtener resistencia mecánica y mejorar las propiedades eléctricas. Los aditivos más comunes son antimonio, calcio, estaño y selenio. Estas baterías a menudo se conocen como "plomo-antimonio" y "plomo-calcio".

Agregar antimonio y estaño mejora el ciclo profundo, pero esto aumenta el consumo de agua y aumenta la necesidad de igualar. El calcio reduce la autodescarga, pero la placa positiva de plomo-calcio tiene el efecto secundario de crecer debido a la oxidación de la rejilla cuando se sobrecarga. Las baterías de ácido de plomo modernas también utilizan agentes de dopaje como selenio, cadmio, estaño y arsénico para reducir el contenido de antimonio y calcio.

El ácido de plomo es pesado y menos duradero que los sistemas basados en níquel y litio cuando se descarga profundamente. Una descarga completa causa tensión y cada ciclo de descarga/carga roba permanentemente una pequeña cantidad de capacidad de la batería. Esta pérdida es pequeña mientras la batería esté en buenas condiciones de funcionamiento, pero el desvanecimiento aumenta una vez que el rendimiento cae a la mitad de la capacidad nominal. Esta característica de desgaste se aplica a todas las baterías en diversos grados.

Dependiendo de la profundidad de la descarga, el ácido de plomo para aplicaciones de ciclo profundo proporciona de 200 a 300 ciclos de descarga/carga. Las razones principales de su vida útil relativamente corta son la corrosión de la rejilla en el electrodo positivo, el agotamiento del material activo y la expansión de las placas positivas. Este fenómeno de envejecimiento se acelera a temperaturas de funcionamiento elevadas y cuando se extraen corrientes de descarga elevadas.

Cargar una batería de ácido de plomo es simple, pero se deben observar los límites de voltaje correctos. Elegir un límite de voltaje bajo protege la batería, pero esto produce un rendimiento deficiente y causa una acumulación de sulfatación en la placa negativa. Un límite de voltaje alto mejora el rendimiento pero forma corrosión de la rejilla en la placa positiva. Aunque la sulfatación se puede revertir si se realiza el servicio a tiempo, la corrosión es permanente.

El ácido de plomo no se presta a la carga rápida y con la mayoría de los tipos, una carga completa lleva de 14 a 16 horas. La batería siempre debe almacenarse con carga completa. La baja carga causa sulfatación, una condición que reduce el rendimiento de la batería. Agregar carbono en el electrodo negativo reduce este problema, pero esto reduce la energía específica.

El ácido de plomo tiene una vida útil moderada, pero no está sujeto a memoria como los sistemas basados en níquel y la retención de carga es la mejor entre las baterías recargables. Mientras que las NiCd pierden aproximadamente el 40 por ciento de su energía almacenada en tres meses, el ácido de plomo se autodescarga la misma cantidad en un año. La batería de ácido de plomo funciona bien a bajas temperaturas y es superior al ion de litio cuando opera en condiciones de temperatura bajo cero. Según RWTH, Aachen, Alemania (2018), el costo del ácido de plomo inundado es de aproximadamente $150 por kWh, uno de los más bajos en baterías.

Ácido de Plomo Sellado

El primer ácido de plomo sellado, o sin mantenimiento, surgió a mediados de la década de 1970. Los ingenieros argumentaron que el término "ácido de plomo sellado" era incorrecto porque ninguna batería de ácido de plomo puede estar totalmente sellada. Para controlar el desagüe durante la carga estresante y la descarga rápida, se han agregado válvulas que liberan gases si aumenta la presión. En lugar de sumergir las placas en un líquido, el electrolito se impregna en un separador humedecido, un diseño que se asemeja a los sistemas basados en níquel y litio. Esto permite operar la batería en cualquier orientación física sin fugas.

La batería sellada contiene menos electrolito que el tipo inundado, de ahí el término "hambriento de ácido". Quizás la ventaja más significativa del ácido de plomo sellado es la capacidad de combinar oxígeno e hidrógeno para crear agua y evitar que se seque durante el ciclo. La recombinación ocurre a una presión moderada de 0,14 bar (2 psi). La válvula sirve como un conducto de seguridad si la acumulación de gas aumenta. Se debe evitar la ventilación repetida, ya que esto conducirá eventualmente a un secado. Según RWTH, Aachen, Alemania (2018), el costo de VRLA es de aproximadamente $260 por kWh.

Han surgido varios tipos de ácido de plomo sellado y los más comunes son gel, también conocido como ácido de plomo regulado por válvula (VRLA), y tapete de vidrio absorbente (AGM). La celda de gel contiene un gel de sílice que suspende el electrolito en una pasta. Los paquetes más pequeños con capacidades de hasta 30 Ah a menudo se llaman SLA (ácido de plomo sellado). Envasadas en un contenedor de plástico, estas baterías se utilizan para pequeñas fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), iluminación de emergencia y sillas de ruedas. Debido al bajo precio, el servicio confiable y el bajo mantenimiento, el SLA sigue siendo la opción preferida para la atención médica en hospitales y hogares de ancianos. El VRLA más grande se utiliza como respaldo de energía para torres repetidoras celulares, centros de Internet, bancos, hospitales, aeropuertos y más.

El AGM suspende el electrolito en un tapete de vidrio especialmente diseñado. Esto ofrece varias ventajas a los sistemas de ácido de plomo, incluida una carga más rápida y corrientes de alta carga instantáneas a pedido. AGM funciona mejor como una batería de rango medio con capacidades de 30 a 100 Ah y es menos adecuada para sistemas grandes, como UPS. Los usos típicos son baterías de arranque para motocicletas, función de arranque-parada para autos microhíbridos, así como marinos y de vehículos recreativos que necesitan algo de ciclismo.

Con el ciclo y la edad, la capacidad de AGM disminuye gradualmente; el gel, por otro lado, tiene una curva de rendimiento en forma de cúpula y se mantiene en el rango de alto rendimiento durante más tiempo, pero luego disminuye repentinamente hacia el final de la vida útil. AGM es más caro que el inundado, pero es más barato que el gel. (El gel sería demasiado caro para el uso de arranque/parada en autos).

A diferencia del inundado, la batería de ácido de plomo sellado está diseñada con un bajo potencial de sobrevoltaje para evitar que la batería alcance su potencial de generación de gas durante la carga. La carga excesiva provoca gasificación, ventilación y posterior agotamiento y secado del agua. En consecuencia, el gel y en parte también el AGM, no pueden cargarse a su máximo potencial y el límite de voltaje de carga debe establecerse más bajo que el de un inundado. Esto también se aplica a la carga flotante en carga completa. En cuanto a la carga, el gel y el AGM no son reemplazos directos del tipo inundado. Si no hay un cargador designado disponible para AGM con configuraciones de voltaje más bajos, desconecte el cargador después de 24 horas de carga. Esto evita la gasificación debido a un voltaje de flotación que está configurado demasiado alto.

La temperatura de funcionamiento óptima para una batería VRLA es de 25°C (77°F); cada aumento de 8°C (15°F) por encima de este umbral de temperatura reduce a la mitad la vida útil de la batería. Las baterías de ácido de plomo están clasificadas a una tasa de descarga de 5 horas (0.2C) y 20 horas (0.05C). La batería funciona mejor cuando se descarga lentamente; las lecturas de capacidad son sustancialmente más altas a una descarga más lenta que a la tasa de 1C. Sin embargo, el ácido de plomo puede entregar altas corrientes de pulso de varios C si se hace durante solo unos segundos. Esto hace que el ácido de plomo sea adecuado como batería de arranque, también conocida como encendido-arranque-luces (SLI). El alto contenido de plomo y el ácido sulfúrico hacen que el ácido de plomo sea ambientalmente poco amigable.

Las baterías de ácido de plomo se clasifican comúnmente en tres usos: automotriz (arranque o SLI), tracción (tracción o ciclo profundo) y estacionario (UPS).

Baterías de Arranque

La batería de arranque está diseñada para arrancar un motor con una carga de alta potencia momentánea que dura un segundo más o menos. Para su tamaño, la batería puede entregar una corriente alta, pero no puede ser cíclica profunda. Las baterías de arranque se clasifican con Ah o RS (capacidad de reserva) para indicar la capacidad de almacenamiento de energía, así como CCA (amperios de arranque en frío) para significar la corriente que una batería puede entregar a temperatura fría. SAE J537 especifica 30 segundos de descarga a –18°C (0°F) a los amperios CCA clasificados sin que el voltaje de la batería caiga por debajo de 7.2 voltios. RC refleja el tiempo de ejecución en minutos a una descarga constante del 25%.

Las baterías de arranque tienen una resistencia interna muy baja que se logra agregando placas adicionales para obtener la máxima superficie. Las placas son delgadas y el plomo se aplica en forma de esponja que tiene la apariencia de una espuma fina, lo que expande aún más la superficie. El grosor de la placa, que es importante para una batería de ciclo profundo, es menos importante porque la descarga es corta y la batería se recarga mientras se conduce; el énfasis está en la potencia en lugar de la capacidad.

Batería de Ciclo Profundo

La batería de ciclo profundo está diseñada para proporcionar energía continua para sillas de ruedas, carritos de golf, montacargas y más. Esta batería está construida para una capacidad máxima y un conteo de ciclos razonablemente alto. Esto se logra haciendo las placas de plomo gruesas. Aunque la batería está diseñada para ciclismo, las descargas completas aún inducen estrés y el recuento de ciclos se relaciona con la profundidad de descarga (DoD). Las baterías de ciclo profundo se marcan en Ah o minutos de tiempo de ejecución. La capacidad se clasifica típicamente como una descarga de 5 horas y 20 horas.

Una batería de arranque no se puede intercambiar con una batería de ciclo profundo o viceversa. Si bien un anciano ingenioso puede verse tentado a instalar una batería de arranque en lugar de la más cara de ciclo profundo en su silla de ruedas para ahorrar dinero, la batería de arranque no duraría porque las placas esponjosas delgadas se disolverían rápidamente con ciclos profundos repetidos.

Existen baterías de arranque/ciclo profundo combinadas disponibles para camiones, autobuses, vehículos de seguridad pública y militares, pero estas unidades son grandes y pesadas. Como guía simple, cuanto más pesada sea la batería, más plomo contendrá y más tiempo durará. La Tabla 3 compara la vida útil típica de las baterías de arranque y ciclo profundo cuando se ciclan profundamente.

Ácido de Plomo o Li-ion en tu Automóvil?

Desde que Cadillac introdujo el motor de arranque en 1912, las baterías de ácido de plomo han funcionado bien como batería de elección. Thomas Edison intentó reemplazar el ácido de plomo con níquel-hierro (NiFe), pero el ácido de plomo prevaleció debido a su naturaleza robusta y perdonadora, así como a su bajo costo. Ahora, el ácido de plomo que sirve como batería de arranque en los vehículos está siendo desafiado por Li-ion.

El plomo es tóxico y los ambientalistas quisieran reemplazar la batería de ácido de plomo con una química alternativa. Europa logró mantener el NiCd fuera de los productos de consumo, y se están haciendo esfuerzos similares con la batería de arranque. Las opciones son NiMH y Li-ion, pero el precio es demasiado alto y el rendimiento a baja temperatura es pobre. Con una tasa de reciclaje del 99 por ciento, la batería de ácido de plomo presenta poco riesgo ambiental y probablemente seguirá siendo la batería de elección.

Aquí se enumeran las ventajas y limitaciones de las baterías de ácido de plomo comunes en uso hoy en día. La tabla no incluye las nuevas químicas de ácido de plomo.