Casi todos los dispositivos portátiles y de mano constan de una batería. La batería es un dispositivo de almacenamiento donde la energía se almacena para proporcionar la energía siempre que sea necesario. Hay diferentes tipos de baterías disponibles en este mundo de la electrónica moderna, entre ellas la batería de plomo-ácido se utiliza comúnmente para el suministro de alta potencia. Por lo general, las baterías de plomo-ácido son de mayor tamaño con una construcción dura y pesada, pueden almacenar una gran cantidad de energía y se utilizan generalmente en los automóviles y los inversores.

Incluso después de conseguir la competencia con las baterías de iones de litio, la demanda de baterías de plomo-ácido está aumentando día a día, porque son más baratos y fáciles de manejar en comparación con las baterías de iones de litio. Según algunos estudios de mercado, se prevé que el mercado de baterías de plomo-ácido de la India crezca a un CAGR de más del 9% durante 2018-24. Por lo tanto, tiene una enorme demanda de mercado en la automatización, la automoción y la electrónica de consumo. Aunque la mayoría de los vehículos eléctricos vienen con baterías de iones de litio, pero todavía hay muchos vehículos eléctricos de dos ruedas que utilizan baterías de plomo-ácido para alimentar el vehículo.

En el tutorial anterior aprendimos sobre las baterías de iones de litio, aquí entenderemos el funcionamiento, la construcción y las aplicaciones de las baterías de plomo-ácido. También aprenderemos sobre los índices de carga/descarga, los requisitos y la seguridad de las baterías de plomo.

Construcción de la batería de plomo

¿Qué es una batería de plomo? Si rompemos el nombre de batería de Plomo Ácido obtendremos Plomo, Ácido y Batería. El plomo es un elemento químico (su símbolo es Pb y su número atómico es 82). Es un elemento blando y maleable. Sabemos que el ácido puede donar un protón o aceptar un par de electrones cuando reacciona. Por lo tanto, una batería, que consiste en plomo y ácido plúmbico anhidro (a veces erróneamente llamado peróxido de plomo), se llama como batería de plomo.

Ahora, ¿cuál es la construcción interna?

Una batería de plomo se compone de las siguientes cosas, podemos verlo en la siguiente imagen:

Una batería de plomo se compone de placas, separador y electrolito, plástico duro con una carcasa de goma dura.

En las baterías, las placas son de dos tipos, positivo y negativo. La positiva está formada por dióxido de plomo y la negativa por plomo esponjoso. Estas dos placas están separadas mediante un separador que es un material aislante. Toda esta construcción se guarda en una caja de plástico duro con un electrolito. El electrolito es agua y ácido sulfúrico.

La caja de plástico duro es una célula. Una sola célula almacena típicamente 2.1V. Por esta razón, una batería de plomo-ácido de 12V consiste en 6 celdas y proporciona 6 x 2.1V/Celda = 12.6V típicamente.

Ahora, ¿cuál es la capacidad de almacenamiento de carga?

Es altamente dependiente del material activo (cantidad de electrolito) y el tamaño de la placa. Puede que haya visto que la capacidad de almacenamiento de las baterías de litio se describe en mAh o miliamperios-hora, pero en el caso de las baterías de plomo-ácido, se trata de amperios-hora. Describiremos esto en una sección posterior.

Funcionamiento de la batería de plomo-ácido

El funcionamiento de la batería de plomo-ácido tiene que ver con la química y es muy interesante conocerlo. Hay un gran proceso químico que está involucrado en la carga y descarga de la batería de plomo-ácido. Las moléculas de ácido sulfúrico diluido H2SO4 se rompen en dos partes cuando el ácido se disuelve. Creará iones positivos 2H+ e iones negativos SO4-. Como hemos dicho antes, se conectan dos electrodos como placas, el ánodo y el cátodo. El ánodo atrae los iones negativos y el cátodo los positivos. Esta unión en el ánodo y el SO4- y el cátodo con el 2H+ intercambian electrones y que además reaccionan con el H2O o con el agua (ácido sulfúrico diluido, ácido sulfúrico + agua).

La batería tiene dos estados de reacción química, carga y descarga.

Carga de la batería de ácido de plomo

Como sabemos, para cargar una batería, necesitamos proporcionar un voltaje mayor que el voltaje terminal. Así, para cargar una batería de 12,6V, se pueden aplicar 13V.

Pero, ¿qué ocurre realmente cuando cargamos una Batería de Plomo-Ácido?

Pues las mismas reacciones químicas que hemos descrito antes. Concretamente, cuando la batería se conecta con el cargador, las moléculas de ácido sulfúrico se rompen en dos iones, los positivos 2H+ y los negativos SO4-. El hidrógeno intercambia electrones con el cátodo y se convierte en hidrógeno, este hidrógeno reacciona con el PbSO4 en el cátodo y forma Ácido Sulfúrico (H2SO4) y Plomo (Pb). Por otro lado, el SO4- intercambia electrones con el ánodo y se convierte en SO4 radical. Este SO4 reacciona con el PbSO4 del ánodo y crea el peróxido de plomo PbO2 y el ácido sulfúrico (H2SO4). La energía se almacena mediante el aumento de la gravedad del ácido sulfúrico y el aumento de la tensión potencial de la célula.

Como se ha explicado anteriormente, las siguientes reacciones químicas tienen lugar en el ánodo y el cátodo durante el proceso de carga.

En el cátodo

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

En el ánodo

PbSO4 + 2H2O => PbO2 + SO42- + 4H- + 2e-

Combinando las dos ecuaciones anteriores, la reacción química global será

2PbSO4 + 2H2O => PbO2 + Pb + 2H2SO4 

Hay varios métodos aplicables para cargar la batería de plomo. Cada método se puede utilizar para una batería de plomo-ácido específica para aplicaciones específicas. Algunas aplicaciones utilizan el método de carga de voltaje constante, algunas aplicaciones utilizan un método de corriente constante, mientras que la carga de cosquilleo también es útil en algunos casos. Normalmente, el fabricante de la batería proporciona el método adecuado para cargar las baterías de plomo-ácido específicas. La carga de corriente constante no se suele utilizar en la carga de baterías de plomo-ácido.

El método de carga más común utilizado en las baterías de plomo-ácido es el método de carga de tensión constante, que es un proceso eficaz en términos de tiempo de carga. En el ciclo de carga completo, la tensión de carga permanece constante y la corriente disminuye gradualmente con el aumento del nivel de carga de la batería.

Descarga de la batería de plomo-ácido

La descarga de una batería de plomo-ácido está de nuevo relacionada con reacciones químicas. El ácido sulfúrico está en la forma diluida con una proporción típica de 3:1 con agua y ácido sulfúrico. Cuando las cargas se conectan a través de las placas, el ácido sulfúrico se rompe de nuevo en iones positivos 2H+ e iones negativos SO4. Los iones de hidrógeno reaccionan con el PbO2 y hacen PbO y agua H2O. El PbO empieza a reaccionar con el H2SO4 y crea PbSO4 y H2O.

En el otro lado los iones SO4- intercambian electrones del Pb, creando el radical SO4 que además crea PbSO4 reaccionando con el Pb.

Como se ha explicado anteriormente, las siguientes reacciones químicas tienen lugar en el ánodo y el cátodo durante el proceso de descarga. Estas reacciones son exactamente opuestas a las reacciones de carga:

En el cátodo

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

En el ánodo:

PbO2 + SO42- + 4H- + 2e- => PbSO4 + 2H2O

Combinando las dos ecuaciones anteriores, la reacción química global será

PbO2 + Pb + 2H2SO4 => 2PbSO4 + 2H2O

Debido al intercambio de electrones entre el ánodo y el cátodo, el equilibrio de electrones entre las placas se ve afectado. Los electrones fluyen entonces a través de la carga y la batería se descarga.

Durante esta descarga, la gravedad del ácido sulfúrico diluido disminuye. Además, al mismo tiempo, la diferencia de potencial de la célula disminuye.

Factor de riesgo y clasificaciones eléctricas

La batería de plomo-ácido es perjudicial si no se mantiene con seguridad. Como la batería genera gas de hidrógeno durante el proceso químico, es muy peligrosa si no se utiliza en un área ventilada. Además, una carga inexacta daña gravemente la batería.

¿Cuáles son los valores nominales estándar de la batería de plomo-ácido?

Cada batería de plomo-ácido cuenta con una hoja de datos para la corriente de carga y la corriente de descarga estándar. Por lo general, una batería de plomo-ácido de 12 V aplicable a la aplicación de automoción puede oscilar entre 100 Ah y 350 Ah. Esta clasificación se define como la clasificación de descarga con un período de tiempo de 8 horas.

Por ejemplo, una batería de 160Ah podría proporcionar 20A de corriente de suministro a la carga durante 8 horas de duración. Podemos extraer más corriente pero no es aconsejable hacerlo. Al dibujar más corriente que la corriente de descarga máxima con respecto a 8 horas dañará la eficiencia de la batería y la resistencia interna de la batería también podría cambiarse, lo que aumenta aún más la temperatura de la batería.

Por otra parte, durante la fase de carga, debemos tener cuidado con la polaridad del cargador, debe estar correctamente conectado con la polaridad de la batería. La polaridad inversa es peligrosa para la carga de la batería de plomo-ácido. El cargador ya viene con un medidor de tensión y corriente de carga con opción de control. Debemos proporcionar un voltaje mayor que el de la batería para cargarla. La corriente de carga máxima debe ser la misma que la corriente de alimentación máxima a un ritmo de descarga de 8 horas. Si tomamos el mismo ejemplo de 12V 160Ah, entonces la corriente máxima de suministro es de 20A, por lo que la corriente máxima de carga segura es la de 20A.

No debemos aumentar o proporcionar una gran corriente de carga ya que esto dará lugar al calor y al aumento de la generación de gas.

Reglas de mantenimiento de las baterías de plomo

1. El riego es la característica de mantenimiento más descuidada de las baterías de plomo inundadas. Como la sobrecarga disminuye el agua, hay que revisarla con frecuencia. Menos agua crea oxidación en las placas y disminuye la vida útil de la batería. Añada agua destilada o ionizada cuando sea necesario.
2. Compruebe los orificios de ventilación, es necesario perfeccionarlos con tapas de goma, a menudo las tapas de goma se pegan con los orificios con demasiada fuerza.
3. Recargue las baterías de plomo después de cada uso. Un largo período sin recargar proporciona sulfatación en las placas.
4. No congele la batería ni la cargue a más de 49 grados centígrados. En ambientes fríos, las baterías deben estar completamente cargadas, ya que las baterías completamente cargadas son más seguras que las vacías con respecto a la congelación.
5. No descargue profundamente la batería a menos de 1,7 V por celda.
6. Para almacenar una batería de plomo-ácido, es necesario cargarla completamente y luego drenar el electrolito. Entonces la batería se secará y podrá almacenarse durante un largo periodo de tiempo.