Batería de ácido sólido

Batería de ácido sólido

Batería de automóvil de plomo-ácido
Energía específica	35–40 Wh / kg [1]
Densidad de energia	80-90 Wh / L [1]
Poder específico	180 W / kg [2]
Eficiencia de carga / descarga	50-95% [3]
Energía / precio al consumidor	7 ( sld ) a 18 ( fld ) Wh / US $ [4]
Tasa de autodescarga	3-20% / mes [5]
Durabilidad del ciclo	<350 ciclos [6]
Voltaje nominal de la celda	2,1 V [7]
Intervalo de temperatura de carga	Min. −35 ° C, máx. 45 ° C

La batería de plomo-ácido fue inventada en 1859 por el físico francés Gaston Planté y es el primer tipo de batería recargable . A pesar de tener una relación de energía a peso muy baja y una relación de energía a volumen baja, su capacidad para suministrar altas corrientes de sobretensión significa que las celdas tienen una relación de potencia a peso relativamente grande . 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 .

Como son económicas en comparación con las tecnologías más nuevas, las baterías de plomo-ácido se utilizan ampliamente incluso cuando la sobrecorriente no es importante 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 45% del valor de las baterías vendidas en todo el mundo (excluyendo China y Rusia), lo que equivale a un valor de mercado de fabricación de unos 15.000 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 , entornos de alta disponibilidad como hospitales y sistemas de energía independientes . Para estos roles, se pueden usar versiones modificadas de la celda estándar para mejorar los tiempos de almacenamiento y reducir los requisitos de mantenimiento. Células de gel yLas baterías de estera de vidrio absorbidas son comunes en estos roles, 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 puro en el lado negativo y el PbO ₂ en el lado positivo, más el ácido sulfúrico acuoso. La energía eléctrica producida por la descarga de una batería de plomo-ácido se puede atribuir a la energía liberada cuando los fuertes enlaces químicos de las moléculas de agua ( H ₂ O ) se forman a partir de los iones H ⁺ del ácido y los iones O ²⁻ del PbO ₂ . ^[9] Por el contrario, durante la carga, la batería actúa como un dispositivo separador de agua .

Historia

Artículo principal: Historia de la batería

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. ^[10] En 1859, la batería de plomo-ácido de Gaston Planté fue la primera batería que se podía recargar pasando una corriente inversa a través de ella. El primer modelo de Planté consistió en dos láminas de plomo separadas por tiras de goma y enrolladas en espiral. ^[11] Sus baterías se usaron por primera vez para encender las luces de los vagones de tren mientras estaban detenidos en una estación. En 1881, Camille Alphonse Faureinventó una versión mejorada que consistía en una red de rejilla de plomo, en la que se presionaba una pasta de óxido de plomo, formando una placa. Este diseño fue más fácil de producir en masa. Uno de los primeros fabricantes (desde 1886) de baterías de plomo-ácido fue Henri Tudor . ^{[ cita requerida ]}

Esta batería utiliza un electrolito de gel en lugar de un líquido, lo que permite que la batería se use en diferentes posiciones sin fugas. Las baterías de electrolito de gel para cualquier posición se usaron por primera vez en la década de 1930 y, a fines de la década de 1920, los equipos de radio de maleta portátiles permitían la celda vertical u horizontal (pero no invertida) debido al diseño de la válvula. ^[12] En la década de 1970, se desarrolló la batería de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA, o "sellada"), que incluía los tipos modernos de esterilla de vidrio absorbido (AGM), que permitía el funcionamiento en cualquier posición.

A principios de 2011 se descubrió que las baterías de plomo-ácido de hecho usaban 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 usan este efecto. ^{[13] [14]}

Electroquímica

Descarga

Completamente descargado: dos placas de sulfato de plomo idénticas y solución de ácido sulfúrico diluido

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. El proceso de descarga es impulsado por la pronunciada reducción de energía cuando 2 H ⁺ (aq) (protones hidratados) del ácido reaccionan con los iones O ²⁻ de PbO 2 para formar los fuertes enlaces OH en H ₂ O (ca. −880 kJ por 18 g de agua). ^[9] Este proceso altamente exergónico también compensa la formación energéticamente desfavorable de iones Pb ²⁺ (aq) o sulfato de plomo ( PbSO
₄(s)). ^[9]

Reacción de placa negativa

Pb (s) + HSO^-
₄(aq) → PbSO
₄(s) + H⁺
(aq) + 2e ^-

La liberación de dos electrones conductores le da al electrodo de plomo una carga negativa.

A medida que los electrones se acumulan, crean un campo eléctrico que atrae los iones de hidrógeno y repele los iones de sulfato, lo que da lugar a una doble capa cerca de la superficie. Los iones de hidrógeno filtran el electrodo cargado de la solución, lo que limita la reacción adicional a menos que se permita que la carga fluya fuera del electrodo.

Reacción de placa positiva

PbO
₂(s) + HSO^-
₄(aq) + 3 H⁺
(aq) + 2e ^- → PbSO
₄(s) + 2 H
₂O (l)

aprovechando la conductividad metálica de PbO2.

La reacción total se puede escribir como

Pb (s) + PbO
₂(s) + 2 H
₂ASI QUE
₄(aq) → 2 PbSO
₄(s) + 2 H
₂O (l) ${\displaystyle E_{cell}^{\circ }=2.05{\text{ V}}}$

La energía neta liberada por mol (207 g) de Pb (s) convertida en PbSO
₄(s), es ca. 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 faraday de carga (192,971 culombios ) a partir de 642,6 g de reactivos, o 83,4 amperios hora por kilogramo (o 13,9 amperios hora por kilogramo para un Batería de 12 voltios). Para una celda de 2 voltios, esto equivale a 167 vatios-hora por kilogramo de reactivos, pero en la práctica, una celda de plomo-ácido proporciona solo 30-40 vatios-hora por kilogramo de batería, debido a la masa del agua y otros componentes. partes.

Cargando

Completamente recargado: placa de dióxido de plomo positivo, placa de plomo negativo y solución acuosa concentrada de ácido sulfúrico

En el estado de carga completa, la placa negativa consiste en plomo y la placa positiva es dióxido de plomo . La solución de electrolitos tiene una mayor concentración de ácido sulfúrico acuoso, que almacena la mayor parte de la energía química.

La sobrecarga con altos voltajes de carga genera oxígeno e hidrógeno por electrólisis del agua , que burbujea y se pierde. El diseño de algunos tipos de baterías de plomo-ácido permite inspeccionar el nivel de electrolito y rellenarlo con agua pura para reemplazar cualquier que se haya perdido de esta manera.

Efecto del nivel de carga en el punto de congelación

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.

Movimiento de iones

Durante el alta, H⁺
producido en las placas negativas se mueve a la solución de electrolito y luego se consume en las placas positivas, mientras que HSO^-
₄se consume en ambos platos. Lo contrario ocurre durante la carga. Este movimiento puede ser un flujo de protones impulsado eléctricamente o un mecanismo de Grotthuss , o por difusión a través del medio, o por el flujo de un medio de electrolito líquido. Dado que la densidad del electrolito es mayor cuando la concentración de ácido sulfúrico es mayor, el líquido tenderá a circular por convección . Por lo tanto, una celda de medio líquido tiende a descargarse y cargarse rápidamente de manera más eficiente que una celda de gel similar.

Midiendo el nivel de carga

Se puede usar un hidrómetro para probar la gravedad específica de cada celda como medida de su estado de carga.

Debido a que el electrolito participa en la reacción de carga-descarga, esta batería tiene una gran ventaja sobre otras químicas: es relativamente simple determinar el estado de carga simplemente midiendo la gravedad específica del electrolito; la gravedad específica cae a medida que se descarga la batería. Algunos diseños de baterías incluyen un hidrómetro simple que usa bolas flotantes de colores de diferente densidad . Cuando se usó en submarinos diesel-eléctricos , la gravedad específica se midió regularmente y se escribió en una pizarra en la sala de control para indicar cuánto tiempo más podría permanecer sumergido el barco. ^[15]

El voltaje de circuito abierto de la batería también se puede utilizar para medir el estado de carga. ^[16] 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 total de la batería. .

Voltajes para uso común

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 V para cada celda. Para una sola celda, el voltaje puede variar desde 1.8 V cargados con descarga completa, hasta 2.10 V en un circuito abierto con carga completa.

El voltaje de flotación varía según el tipo de batería (es decir, 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 las celdas sulfatadas pueden variar de 2.67 V a casi 3 V. ^{[ 17]} (solo hasta que fluya una corriente de carga) ^{[18] [19]} Los valores específicos para una batería determinada dependen del diseño y las recomendaciones del fabricante, y generalmente se dan a una temperatura de referencia de 20 ° C (68 ° F), lo que requiere ajuste para las condiciones ambientales.

Construcción

Platos

Vista interna de una pequeña batería de plomo-ácido de una motocicleta equipada con arranque eléctrico

La celda de plomo-ácido se puede demostrar utilizando placas de plomo laminado para los dos electrodos. Sin embargo, tal construcción produce solo alrededor de un amperio para placas del tamaño de una postal, y solo por unos pocos minutos.

Gaston Planté encontró una manera de proporcionar una superficie efectiva mucho mayor. En el diseño de Planté, las placas positivas y negativas estaban formadas por dos espirales de lámina de plomo, separadas con una hoja de tela y enrolladas. Las células inicialmente tenían baja capacidad, por lo que se requirió un proceso lento 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 utilizó electricidad de baterías primarias; cuando los generadores estuvieron disponibles después de 1870, el costo de producción de las baterías disminuyó considerablemente. ^{[8] Las} placas Planté todavía se utilizan en algunas aplicaciones estacionarias, donde las placas se ranuran 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, seguida de una fase de curado en la que las placas se exponen 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 adhirió 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 fabricación de 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 usa 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 estrictamente controlado) y la estructura y composición de la rejilla a la que se aplica la pasta.

La cuadrícula desarrollada por Faure era de plomo puro con bielas de plomo en ángulo recto. Por el contrario, las rejillas actuales están estructuradas para mejorar la resistencia mecánica y mejorar el flujo de corriente. Además de los diferentes patrones de cuadrícula (idealmente, todos los puntos de la placa son equidistantes del conductor de potencia), los procesos modernos también aplican una o dos esteras delgadas de fibra de vidrio sobre la cuadrícula para distribuir el peso de manera más uniforme. Y aunque Faure había usado plomo puro para sus rejillas, en un año (1881) estas habían sido reemplazadas por plomo- antimonio.(8-12%) aleaciones para dar rigidez adicional a las estructuras. Sin embargo, las rejillas con alto contenido de antimonio tienen un mayor desprendimiento de hidrógeno (que también se acelera a medida que la batería envejece) y, por lo tanto, una mayor desgasificación y mayores costos de mantenimiento. Estos problemas fueron identificados por UB Thomas y WE Haring en Bell Labs en la década de 1930 y finalmente llevaron al desarrollo de aleaciones de rejilla de plomo- calcio en 1935 para baterías de energía de reserva en la red telefónica de EE. UU. La investigación relacionada condujo al desarrollo de plomo- selenioaleaciones de rejilla en Europa unos años más tarde. Las aleaciones de rejilla de plomo-calcio y plomo-selenio aún agregan antimonio, aunque en cantidades mucho más pequeñas que las rejillas antiguas con alto contenido de antimonio: las rejillas de plomo-calcio tienen 4–6% de antimonio, mientras que las rejillas de plomo-selenio tienen 1–2%. Estas mejoras metalúrgicas le dan a la rejilla más resistencia, lo que le permite llevar más peso, es decir, más material activo, y por lo tanto las placas pueden ser más gruesas, lo que a su vez contribuye a la vida útil de la batería, ya que hay más material disponible para desprenderse antes de que la batería quede 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 cíclicas poco frecuentes (por ejemplo, baterías de energía de reserva) tienen cada vez más rejillas de aleación de plomo-calcio o plomo-selenio, ya que tienen menos desprendimiento de hidrógeno y, por lo tanto, menos gastos de mantenimiento. Las rejillas de aleación de plomo-calcio son más baratas de fabricar (las celdas, por lo tanto, tienen costos iniciales más bajos) y tienen una tasa de autodescarga más baja y menores requisitos de riego, pero tienen una conductividad ligeramente menor, son mecánicamente más débiles (y por lo tanto requieren más antimonio). para compensar), y están más sujetos a la corrosión (y por lo tanto una vida útil más corta) que las celdas con rejillas de aleación de plomo-selenio.Las rejillas de aleación de plomo-calcio son más baratas de fabricar (las celdas, por lo tanto, tienen costos iniciales más bajos) y tienen una tasa de autodescarga más baja y menores requisitos de riego, pero tienen una conductividad ligeramente menor, son mecánicamente más débiles (y por lo tanto requieren más antimonio). para compensar), y están más sujetos a la corrosión (y por lo tanto una vida útil más corta) que las celdas con rejillas de aleación de plomo-selenio.Las rejillas de aleación de plomo-calcio son más baratas de fabricar (las celdas, por lo tanto, tienen costos iniciales más bajos) y tienen una tasa de autodescarga más baja y menores requisitos de riego, pero tienen una conductividad ligeramente menor, son mecánicamente más débiles (y por lo tanto requieren más antimonio). para compensar), y están más sujetos a la corrosión (y por lo tanto una vida útil más corta) que las celdas con rejillas de aleación de plomo-selenio.

El efecto de circuito abierto es una pérdida dramática de la vida útil del ciclo de la batería que se observó cuando se sustituyó el antimonio por calcio. También se conoce como efecto libre de antimonio. ^[21]

La pasta moderna contiene negro de carbón , blanc fixe ( sulfato de bario ) y lignosulfonato . El blanco fijo actúa como un cristal semilla para la reacción de plomo a sulfato de plomo . El blanc fixe debe estar completamente disperso en la pasta para que sea eficaz. El lignosulfonato evita que la placa negativa forme una masa sólida durante el ciclo de descarga, permitiendo en cambio la formación de dendritas largas en forma de agujas . Los cristales largos tienen más área de superficie y se vuelven fácilmente al estado original al cargarlos. El negro de carbón contrarresta el efecto de inhibición de la formación causado por los lignosulfonatos. sulfonado naftalenoEl dispersante de condensado 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 hidroset, 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 fin de carga. El naftaleno sulfonado requiere alrededor 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 contenedor de celdas. Las placas alternas constituyen entonces electrodos alternos positivos y negativos, y dentro de la celda se conectan posteriormente entre sí (de negativo a negativo, de positivo a positivo) en paralelo. Los separadores impiden que las placas se toquen entre sí, lo que de otro modo constituiría un cortocircuito. En las celdas inundadas y de gel, los separadores son rieles o 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 aprieta antes de insertarla 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 la celda o mediante un puente sobre las paredes de la celda. Todas las conexiones intraceldas e intercelulares son de la misma aleación de plomo que la utilizada en las rejillas. Esto es necesario para prevenirCorrosión galvánica .

Las baterías de ciclo profundo tienen una geometría diferente para sus electrodos positivos. El electrodo positivo no es una placa plana sino una fila de cilindros o tubos de óxido de plomo encadenados uno al lado del otro, por lo que su geometría se llama tubular o cilíndrica. La ventaja de esto es un área de superficie aumentada en contacto con el electrolito, con corrientes de carga y descarga 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 potenciaque las células de placa plana. Esto hace que las placas de geometría tubular / cilíndrica sean especialmente adecuadas para aplicaciones de alta corriente con limitaciones de peso o espacio, como para carretillas elevadoras o para arrancar motores diésel marinos. Sin embargo, debido a que los tubos / cilindros tienen menos material activo en el mismo volumen, también tienen una densidad de energía 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 se vuelva inutilizable. Los electrodos tubulares / cilíndricos también son más complicados de fabricar de manera uniforme, lo que tiende a hacerlos más costosos que las celdas de placa plana. Estas compensaciones limitan la gama de aplicaciones en las que las baterías tubulares / cilíndricas son importantes para situaciones en las que no hay espacio suficiente para instalar unidades de placa plana de mayor capacidad (y por lo tanto más grandes).

Aproximadamente el 60% del peso de una batería de plomo-ácido de tipo automotriz con una potencia de alrededor de 60 A · h es plomo o partes internas hechas de plomo; el resto es electrolito, separadores y la carcasa. ^[8] Por ejemplo, hay aproximadamente 8,7 kg (19 lb) de plomo en una batería típica de 14,5 kg (32 lb).

Separadores

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Los separadores entre las placas positiva y negativa evitan los cortocircuitos a través del contacto físico, principalmente a través de las dendritas ("formación de árboles"), pero también a través del desprendimiento del material activo. Los separadores permiten el flujo de iones entre las placas de una celda electroquímica para formar un circuito cerrado. Para fabricar separadores se han utilizado madera, caucho, estera de fibra de vidrio, celulosa y plástico de PVC o polietileno . La madera fue la elección original, pero se deteriora en el electrolito ácido. Los separadores de caucho son estables en el ácido de la batería y proporcionan valiosas ventajas electroquímicas que otros materiales no pueden.

Un separador eficaz debe poseer varias propiedades mecánicas; tales como permeabilidad , porosidad, distribución del tamaño de los poros, área de superficie específica , diseño mecánico y resistencia, resistencia eléctrica , conductividad iónica y compatibilidad química con el electrolito. En servicio, el separador debe tener una buena resistencia al ácido y a la oxidación . El área del separador debe ser un poco más grande que el área de las placas para evitar un cortocircuito de material entre las placas. Los separadores deben permanecer estables en el rango de temperatura de funcionamiento de la batería .

Estera de vidrio absorbente (AGM)

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En el diseño de estera de vidrio absorbente, o AGM para abreviar, los separadores entre las placas se reemplazan por una fibra de vidrioalfombra empapada en electrolito. Solo hay suficiente electrolito en el tapete para mantenerlo húmedo, y si se perfora la batería, el electrolito no saldrá de los tapetes. Principalmente, el propósito de reemplazar el electrolito líquido en una batería inundada con una estera de fibra de vidrio semisaturada es aumentar sustancialmente el transporte de gas a través del separador; El gas hidrógeno u oxígeno producido durante la sobrecarga o la carga (si la corriente de carga es excesiva) puede pasar libremente a través de la estera de 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, el ácido puede salir despedido a través del respiradero de sobrepresión.

Para reducir la tasa de pérdida de agua, el calcio se alea 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 descarga 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 de gel. Las baterías AGM a menudo muestran un característico "abultamiento" 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 normalse almacena en un estado descargado, las moléculas de ácido más pesadas tienden a depositarse en la parte inferior de la batería, lo que hace que el electrolito se estratifique. Cuando se usa la batería, la mayor parte de la corriente fluye solo en esta área, y la parte inferior de las placas tiende a desgastarse rápidamente. Esta es una de las razones por las que una batería de automóvil convencional puede arruinarse si se deja almacenada durante un período prolongado y luego se usa y se recarga. El tapete evita significativamente esta estratificación, eliminando la necesidad de agitar periódicamente las baterías, hervirlas o ejecutar 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, lo que puede congelarse en climas fríos, los AGM son significativamente menos susceptibles a daños debido al uso a baja temperatura.

Si bien las celdas AGM no permiten el riego (por lo general, es imposible agregar 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 por difusión en toda la batería. 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 por 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-antimonio. Si el voltaje de circuito abierto de las celdas AGM es significativamente superior a 2.093 voltios, o 12.56 V para una batería de 12 V, entonces tiene un contenido de ácido más alto que una celda inundada; 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 según la pérdida de agua (y la concentración de ácido aumentada). 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.

Electrolitos gelificados

Artículo principal: batería VRLA § batería de gel

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 antes líquido de las células en una pasta semirrígida, proporcionando muchas de las mismas ventajas del AGM. Dichos diseños son incluso menos susceptibles a la evaporación y, a menudo, se utilizan en situaciones en las que es posible realizar poco o ningún mantenimiento periódico. 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 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 sobretensión. Por esta razón, las celdas de gel se encuentran más comúnmente en aplicaciones de almacenamiento de energía como sistemas fuera de la red.

"Sin mantenimiento", "sellado" y "VRLA" (ácido de plomo regulado por válvula)

Tanto los diseños de gel como los de AGM están sellados, no requieren riego, se pueden usar en cualquier orientación y usan una válvula para purga de gas. Por esta razón, ambos diseños pueden denominarse sin mantenimiento, sellados y VRLA. Sin embargo, es bastante común encontrar recursos que afirmen que estos términos se refieren a uno u otro de estos diseños, específicamente.

Aplicaciones

La mayoría de las baterías de plomo-ácido del mundo son baterías de arranque, iluminación e ignición de automóviles (SLI), con un estimado de 320 millones de unidades enviadas en 1999. ^[8] En 1992 se utilizaron alrededor de 3 millones de toneladas de plomo en la fabricación de baterías.

Las baterías de reserva (estacionarias) de celda húmeda diseñadas para descarga profunda se utilizan comúnmente en grandes fuentes de alimentación de respaldo para teléfonos y centros de computación, almacenamiento de energía de la red y sistemas de energía eléctrica domésticos fuera de la red. ^[23] 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 con batería . Baterías grandes de plomo-ácido se utilizan también para alimentar los motores eléctricos en diesel-eléctricos (convencionales) submarinos cuando se sumerge, y se usan como alimentación de emergencia en submarinos nucleares también. Las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula 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; UPS) y para scooters eléctricos , sillas de ruedas eléctricas , bicicletas electrificadas., Aplicaciones marinas, vehículos batería eléctrica o micro vehículos híbridos , y motocicletas. Muchos montacargas eléctricos usan baterías de plomo-ácido, donde el peso se usa como parte de un contrapeso. Se utilizaron baterías de plomo-ácido para suministrar el voltaje del filamento (calentador), con 2 V común en los primeros receptores de radio de tubo de vacío (válvula).

Las baterías portátiles para los faros de las lámparas de los mineros suelen tener dos o tres celdas. ^[24]

Ciclos

Pilas de arranque

Artículo principal: batería automotriz

Las baterías de plomo-ácido diseñadas para arrancar motores automotrices no están diseñadas para descarga profunda. Tienen una gran cantidad de placas delgadas diseñadas para un área de superficie máxima y, por lo tanto, una salida de corriente máxima, que puede dañarse fácilmente con una descarga profunda. Las descargas profundas repetidas darán como resultado una pérdida de capacidad y, en última instancia, una falla prematura, ya que los electrodos se desintegran debido a las tensiones mecánicas que surgen de los ciclos. Las baterías de arranque mantenidas con una carga flotante continua sufrirán corrosión de los electrodos, lo que también provocará una falla prematura. Por lo tanto, las baterías de arranque deben mantenerse en circuito abierto pero cargadas regularmente (al menos una vez cada dos semanas) para evitar la sulfatación .

Las baterías de arranque son más livianas que las baterías de ciclo profundo del mismo tamaño, porque las placas de celda más delgadas y ligeras no se extienden hasta el fondo de la caja de la batería. Esto permite que el material desintegrado suelto se caiga de las placas y se acumule en la parte inferior de la celda, lo que prolonga 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 provocará una pérdida de voltaje y capacidad de la batería.

Baterías de ciclo profundo

Artículo principal: batería de ciclo profundo

Las celdas de ciclo profundo especialmente diseñadas son mucho menos susceptibles a la degradación debido al ciclo y son necesarias para aplicaciones en las que las baterías se descargan regularmente, como sistemas fotovoltaicos , vehículos eléctricos ( montacargas , carritos de golf , automóviles eléctricos y otros) y energía ininterrumpida. suministros . Estas baterías tienen placas más gruesas que pueden entregar menos corriente pico , pero pueden soportar descargas frecuentes. ^[25]

Algunas baterías están diseñadas como un compromiso entre el arranque (alta corriente) y el 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".

Carga y descarga rápida y lenta

La corriente de carga debe coincidir con la capacidad de la batería para absorber la energía. El uso de una corriente de carga demasiado grande en una batería pequeña puede provocar la ebullición y la ventilación del electrolito. En esta imagen, una caja de batería VRLA se ha hinchado debido a la alta presión de gas desarrollada durante la sobrecarga.

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 la tasa de descarga y la capacidad se conoce como ley de Peukert .

Cuando una batería se carga o descarga, solo los químicos que reaccionan, que están en la interfaz entre los electrodos y el electrolito, se ven afectados inicialmente. Con el tiempo, la carga almacenada en los productos químicos en la interfaz, a menudo denominada "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 por completo (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 solo unos minutos, las placas de la batería se cargan solo cerca de la interfaz entre las placas y el electrolito. En este caso, el voltaje de la batería podría subir 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 electrolito; esto conduce a una carga de interfaz tan baja que puede ser insuficiente para arrancar el automóvil. ^[26] Siempre que el voltaje de carga permanezca 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.

Válvula regulada (VRLA)

Artículo principal: batería VRLA

En una batería de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA), el hidrógeno y el oxígeno producidos en las células se recombinan en gran medida en agua. La fuga es mínima, 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 denomina baterías libres de mantenimiento . Sin embargo, este es un nombre poco apropiado. Las celdas VRLA requieren mantenimiento. A medida que se pierde electrolito, las celdas VRLA se "secan" y pierden capacidad. Esto se puede detectar tomando una resistencia , conductancia o impedancia interna regular.mediciones. Las pruebas periódicas revelan si se requieren más pruebas y mantenimiento. Se han desarrollado procedimientos de mantenimiento recientes que permiten la "rehidratación", a menudo restaurando cantidades significativas de capacidad perdida.

Los tipos VRLA se hicieron populares en las motocicletas alrededor de 1983, ^[27] porque el electrolito ácido se absorbe en el separador, por lo que no puede derramarse. ^[28] El separador también les ayuda a soportar mejor las vibraciones. También son populares en aplicaciones estacionarias como sitios de telecomunicaciones, debido a su pequeño tamaño y flexibilidad de instalación. ^[29]

Sulfatación y desulfatación

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Placas sulfatadas de batería de 12 V 5 Ah

Las baterías de plomo-ácido pierden la capacidad de aceptar una carga cuando se descargan durante demasiado tiempo debido a la sulfatación , la cristalización del sulfato de plomo . ^[30] Generan electricidad a través de una reacción química de doble sulfato. El plomo y el dióxido de plomo, los materiales activos 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 una forma amorfa finamente divididaestado y vuelve fácilmente a plomo, dióxido de plomo y ácido sulfúrico cuando la batería se recarga. A medida que las baterías pasan por numerosas descargas y cargas, algo de sulfato de plomo no se recombina en electrolito y se convierte lentamente en una forma cristalina estable que ya no se disuelve con la recarga. Por lo tanto, no todo el plomo se devuelve 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 ocurre en las baterías de plomo-ácido cuando están sujetas 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. Eventualmente, gran parte del área de la placa de la batería no puede suministrar corriente que la capacidad de la batería se reduce considerablemente. Además, la porción de sulfato (del sulfato de plomo) no se devuelve al electrolito como ácido sulfúrico. Se cree que los cristales grandes bloquean físicamente que el electrolito entre en los poros de las placas. Una capa blanca en las placas puede ser visible en baterías con estuches transparentes o después de desarmar la batería. Las baterías sulfatadas muestran una alta resistencia interna y pueden entregar solo una pequeña fracción de la corriente de descarga normal. La sulfatación también afecta el ciclo de carga,lo que resulta en tiempos de carga más largos, una carga menos eficiente e incompleta y temperaturas de batería más altas.

Las baterías SLI (arranque, iluminación, encendido; por ejemplo, baterías de automóvil) sufren el mayor deterioro porque los vehículos normalmente permanecen sin usar durante períodos de tiempo relativamente largos. Las baterías de ciclo profundo y de energía motriz están sujetas a una sobrecarga controlada regular, que eventualmente falla debido a la corrosión de las rejillas de la placa positiva en lugar de la sulfatación.

La sulfatación se puede evitar si la batería se recarga por completo inmediatamente después de un ciclo de descarga. ^[31] No se conocen formas verificadas independientemente para revertir la sulfatación. ^{[8] [32]} Hay productos comerciales que afirman lograr la desulfatación a través de diversas técnicas, como la carga por pulsos, pero no hay publicaciones revisadas por pares que verifiquen sus afirmaciones. La prevención de la sulfatación sigue siendo el mejor curso de acción, mediante la carga completa periódica de las baterías de plomo-ácido.

Estratificación

Una batería de plomo-ácido típica contiene una mezcla con concentraciones variables de agua y ácido. El ácido sulfúrico tiene una densidad más alta que el agua, lo que hace que el ácido formado en las placas durante la carga fluya hacia abajo y se acumule en la parte inferior de la batería. Finalmente, la mezcla volverá a alcanzar una composición uniforme por difusión , pero este es un proceso muy lento. Los ciclos repetidos de carga y descarga parciales aumentarán la estratificación del electrolito, 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 salpicaduras y salpicaduras en las celdas, a medida que el vehículo acelera, frena y gira.

Riesgo de explosión

Batería de plomo-ácido de automóvil después de una explosión que muestra una fractura frágil en los extremos de la carcasa

La carga excesiva provoca electrólisis , emitiendo hidrógeno y oxígeno. Este proceso se conoce como "gaseado". Las celdas húmedas tienen ventilaciones abiertas para liberar cualquier gas producido, y las baterías VRLA dependen de válvulas instaladas en cada celda. Las tapas catalíticas están disponibles para que las células inundadas recombinen hidrógeno y oxígeno. Una celda VRLA normalmente recombina cualquier hidrógeno y oxígeno producidos dentro de la celda, pero el mal funcionamiento o el sobrecalentamiento pueden causar la acumulación de gas. Si esto sucede (por ejemplo, en caso de 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 acumulan suciedad y escombros, 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 causar chispas y una explosión, si se purgó algún gas de las celdas.

Las celdas individuales dentro de una batería también pueden cortocircuitarse y provocar una explosión.

Las celdas de las baterías VRLA generalmente se hinchan cuando aumenta la presión interna, lo que da una advertencia a los usuarios y mecánicos. La deformación varía de una celda a otra y es mayor en los extremos donde las paredes no están soportadas por otras celdas. Estas baterías sobrepresurizadas deben aislarse y desecharse cuidadosamente. El personal que trabaje cerca de baterías en riesgo de explosión debe protegerse los ojos y la piel expuesta de las quemaduras causadas por la pulverización de ácido y el fuego usando un protector facial , overoles y guantes. El uso de gafas en lugar de una careta sacrifica la seguridad al dejar la cara expuesta a posibles fragmentos de la batería, de la carcasa o de la batería y al calor de una posible explosión.

Medio ambiente

Preocupaciones medioambientales

Según un informe de 2003 titulado "Getting the Lead Out", de Environmental Defense and the Ecology Center of 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 a cantidades incluso pequeñas de estos compuestos puede causar daño cerebral y renal, deterioro de la audición 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 federal de emisiones tóxicas, 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 haciendo intentos para desarrollar alternativas (particularmente para uso automotriz) debido a preocupaciones sobre 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 sustituyan para aplicaciones como el arranque de motores o los sistemas de energía de respaldo, ya que las baterías, aunque pesadas, son de bajo costo.

Reciclaje

Ver también: Reciclaje de baterías

Un trabajador que recicla plomo fundido en una instalación de reciclaje de baterías

El reciclaje de baterías de plomo-ácido es uno de los programas de reciclaje más exitosos del mundo. En los Estados Unidos, el 99% de todo el plomo de las baterías se recicló entre 2014 y 2018. ^[36] Un sistema de control de la contaminación eficaz es una necesidad para prevenir la emisión de plomo. Se requiere una mejora continua en las plantas de reciclaje de baterías y los diseños de hornos para mantener el ritmo de los estándares de emisión para las fundiciones de plomo.

Aditivos

Se han utilizado aditivos químicos 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 agrega al electrolito de una batería de plomo-ácido ventilada. Dichos tratamientos rara vez, si es que alguna vez, son efectivos. ^[37]

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 cantidad de vida útil. 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 revivida 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 da como resultado el crecimiento y la distorsión de los electrodos y el desprendimiento del electrodo hacia el electrolito. Una vez que el material activo se ha caído de las placas, no se puede restaurar en su posición mediante ningún tratamiento químico. Del mismo modo, los problemas físicos internos, como placas agrietadas, conectores corroídos o separadores dañados, no se pueden restaurar químicamente.

Problemas de corrosión

La corrosión de las partes metálicas externas de la batería de plomo-ácido es el resultado de una reacción química de los terminales, las orejetas y los conectores de la batería.

La corrosión en el terminal positivo es causada por electrólisis, debido a un desajuste 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 zinc o plomo . Los conectores de aluminio se corroen formando sulfato de aluminio . Los conectores de cobre producen cristales de corrosión azules y blancos. La corrosión de los terminales de una batería se puede reducir recubriendo los terminales con vaselina o un producto disponible comercialmente fabricado para tal fin. ^[38]

Si la batería está demasiado llena de agua y electrolito, la expansión térmica puede hacer 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 en el 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 en la caja de plástico.

Los vapores ácidos que se vaporizan a través de las tapas de ventilación, a menudo causados ​​por una sobrecarga, y la ventilación insuficiente de la caja de la batería pueden permitir que los vapores de ácido sulfúrico se acumulen y reaccionen con los metales expuestos.

Ver también

• Batería automotriz
• Cuarto de pilas
• Comparación de tipos de baterías comerciales
• Pila seca
• Historia de la batería
• Lista de tamaños de batería
• Lista de tipos de baterías
• Batería de calcio y plata
• UltraBattery

Referencias

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General

• Sulfatación de la placa de la batería (MagnaLabs) [1]
• Desulfatación de la batería [2]
• Baterías de plomo ácido [3]
• Suministro de CC! (Abril de 2002) [4]
• Algunos detalles técnicos sobre baterías de plomo ácido [5]

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con las baterías de plomo-ácido .

• Battery Council International (BCI) , organización comercial de fabricantes de baterías de plomo-ácido .
• Preguntas frecuentes sobre baterías de ciclo profundo y de automóvil
• Toxicidad por plomo (Pb): conceptos clave | ATSDR - Educación en Medicina Ambiental y Salud Ambiental - CSEM (Estudios de Caso en Medicina Ambiental) , Agencia para Sustancias Tóxicas y Registro de Enfermedades, CDC
• Desulfatador de batería de plomo ácido (Home Power # 77 junio / julio de 2000)