INTRODUCCION
Comenzaremos con una pregunta básica: ¿cuál es el mecanismo que permite la
utilización de una batería como una fuente portátil de energía eléctrica ? La respuesta
es: una doble conversión de energía, llevada a cabo mediante el uso de un proceso
electro-químico. La primera conversión, energía eléctrica en energía química, toma
lugar durante el proceso de carga. La segunda, energía química en eléctrica, ocurre
cuando la batería es descargada. Para que estas conversiones puedan llevarse a cabo
se necesitan dos electrodos metálicos inmersos en un medio que los vincule, llamado
electrolito.
Este conjunto forma una celda de acumulación, cuyo voltaje, en una batería de plomoácido,
excede levemente los 2V, dependiendo de su estado de carga. En el proceso
electrolítico cada uno de los electrodos toma una polaridad diferente. La batería tiene
entonces un terminal negativo y otro positivo, los que están claramente identificados
en la caja de plástico con los símbolos correspondientes (- y +).
La batería comercial, para poder ofrecer un voltaje de salida práctico, posee varias de
estas celdas conectadas en serie. La Figura 5.6 muestra muestra la estructura interna
y externa de una batería de Pb-ácido para automotor, donde se observa el coneccionado
serie de las celdas, las que están físicamente separadas por particiones dentro de la
caja que las contiene. Cada celda está compuesta de varias placas positivas y negativas,
las que tienen separadores intermedios. Todas las placas de igual polaridad, dentro de
una celda, están conectadas en paralelo. El uso de varias placas de igual polaridad
permite aumentar la superficie activa de una celda.
El voltaje proporcionado por una batería de acumulación es de CC. Para cargarla se
necesita un generador de CC, el que deberá ser conectado con la polaridad correcta:
positivo del generador al positivo de batería y negativo del generador al negativo de
batería. Para poder forzar una corriente de carga el voltaje deberá ser algo superior al
de la batería.
PROCESO DE CARGA Y DESCARGA
La corriente de carga provoca reacciones químicas en los electrodos, las que continúan
mientras el generador sea capaz de mantener esa corriente, o el electrolito sea incapaz
de mantener esas reacciones. El proceso es reversible. Si desconectamos el generador
y conectamos una carga eléctrica a la batería, circulará una corriente a través de ésta,
en dirección opuesta a la de carga, provocando reacciones químicas en los electrodos
que vuelven el sistema a su condición inicial.
En principio el “ciclo” de carga-descarga puede ser repetido indefinidamente. En la
práctica existen limitaciones para el máximo número de ellos, ya que los electrodos
pierden parte del material con cada descarga. La diferencia funcional entre diferentes
tipos de baterías obedece al uso de diferentes electrolitos y electrodos metálicos.
Dentro de un mismo tipo de batería, la diferencia funcional es el resultado del método
de fabricación.
Cuando un tipo de energía es convertido en otro la eficiencia del proceso nunca alcanza
el 100%, ya que siempre existen pérdidas (calor). La doble conversión energética que
toma lugar dentro de una batería obedece esta ley física. Habrá, por lo tanto, pérdidas
de energía durante el proceso de carga y el de descarga.
El tipo de acumulador más usado en el presente, dado su bajo costo, es la batería de
plomo y ácido sulfúrico con electrolito líquido. En ella, los dos electrodos están hechos
de plomo y el electrolito es una solución de agua destilada y ácido sulfúrico. En este
libro abreviaremos algo su nombre, llamándola batería Pb-ácido, usando el símbolo
químico para el plomo (Pb). Cuando la batería está cargada, el electrodo positivo
tiene un depósito de dióxido de plomo y el negativo es plomo. Al descargarse, la
reacción química que toma lugar hace que, tanto la placa positiva como la negativa,
tengan un depósito de sulfato de plomo. La Figuras 5.1 y 5.2 ilustran estos dos estados.
BATERIA Pb-ACIDO
Como el proceso químico libera gases (hidrógeno y oxígeno) se necesita que el conjunto
tenga ventilación al exterior. El diseño de las tapas de ventilación permite la evacuación
de estos gases, restringiendo al máximo la posibilidad de un derrame del electrolito.
DENSIDAD DEL ELECTROLITO
En una batería de Pb-ácido el electrolito interviene en forma activa en el proceso
electroquímico, variando la proporción de ácido en la solución con el estado de carga
del acumulador. Cuando la batería está descargada, la cantidad de ácido en la solución
disminuye. Si la batería está cargada, la cantidad de ácido en la solución aumenta.
Este mecanismo tiene una derivación práctica: monitoreando la concentración del
ácido se puede determinar el estado de carga de la batería. Este monitoreo se hace
usando un densímetro.
Tres características definen una batería de acumulación: la cantidad de energía que
puede almacenar, la máxima corriente que puede entregar (descarga) y la profundidad
de descarga que puede sostener. La cantidad de energía que puede ser acumulada por
una batería está dada por el número de watt.horas (Wh) de la misma. La capacidad
(C) de una batería de sostener un régimen de descarga está dada por el número de
amperes.horas (Ah).
Para una dada batería, el número de Wh puede calcularse multiplicando el valor del
voltaje nominal por el número de Ah, es decir:
Wh = Voltaje nominal x Ah
El número de Ah de una batería es un valor que se deriva de un régimen de descarga
especificado por el fabricante. Para un tipo especial de baterías, llamadas solares
el procedimiento de prueba ha sido estandarizado por la industria. Una
batería, inicialmente cargada al 100%, es descargada, a corriente constante, hasta que
la energía en la misma se reduce al 20% de su valor inicial. El valor de esa corriente de
descarga, multiplicado por la duración de la prueba (20 horas es un valor típico), es el
valor en Ah de esa batería. Un ejemplo práctico servirá para reforzar este concepto. Si
una batería solar tiene una capacidad (C) de 200 Ah para un tiempo de descarga de
20hrs, el valor de la corriente durante la prueba es de 10A.
Existe la tentación de extender este concepto para corrientes de descarga en exceso
del máximo determinado por el método de prueba (10A en nuestro ejemplo). La batería
de nuestro ejemplo no puede entregar 200A durante una hora. El proceso
electroquímico no puede ser acelerado sin que la batería incremente su resistencia
interna en forma substancial. Este incremento disminuye el voltaje de
salida, autolimitando la capacidad de sostener corrientes elevadas en la carga. Si la
corriente de descarga es menor que la especificada, digamos 5A, la relación Ah es
válida. La batería de 200Ah de nuestro ejemplo puede sostener este valor de corriente
por 40 horas.
Los fabricantes de baterías expresan el valor de la corriente de carga (o descarga)
como un valor fractional de su capacidad en Ah. En nuestro ejemplo, C/20 representa
10A y C/40 representa un valor de 5A. Esta forma de dar el valor de la corriente de
descarga (o carga) parece arbitraria, pero no lo es si recordamos que la capacidad en
Ah de una batería, por definición, requiere un número específico de horas de descarga.
Si la batería solar de nuestro ejemplo tiene un voltaje nominal de 6V, la cantidad de
energía que puede ser acumulada es de:
6V x 200 Ah = 1.200 Wh (1,2 KWh)
La profundidad de descarga (PD) representa la cantidad de energía que puede extraerse
de una batería. Este valor está dado en forma porcentual. Si la batería del ejemplo
entrega 600 Wh, la PD es del 50%. Cuando se efectúa la prueba para determinar la
capacidad en Ah de una batería solar la PD alcanza el 80%.
El voltaje de salida de una batería de Pb-ácido no permanece constante durante la
carga o descarga. Dos variables determinan su valor: el estado de carga y la temperatura
del electrolito. Para comprender el efecto que tiene la temperatura en el comportamiento de la batería es útil recordar que cualquier reacción química es acelerada cuando la temperatura se incrementa y es retardada cuando ésta disminuye.
Las curvas de descarga muestran que a baja temperatura la caída de voltaje es mucho
más severa que la que se observa, para la misma corriente, a 25°C. La baja temperatura
retarda la reacción química, lo que se traduce en un brusco aumento de la resistencia
interna (Apéndice I) de la batería, lo que provoca una mayor caída del voltaje. Estas
curvas confirman la experiencia que el lector tiene con baterías para automotor durante
el invierno. Se observa, asimismo, que si se mantiene constante la temperatura del
electrolito, la caída de voltaje es siempre mayor (aumento de la resistencia interna)
cuando la corriente de descarga aumenta. Este es el mecanismo autolimitante al que
nos referimos con anterioridad.
Para la carga, se observa que el voltaje correspondiente a un dado estado y corriente
de carga, es siempre menor cuando la temperatura disminuye. Es conveniente cargar
una batería con un nivel de corriente que no exceda el máximo dado por el fabricante
(C/20 ó 10A en nuestro ejemplo). El tiempo de carga, multiplicado por la corriente de
carga debe ser un 15% mayor al número de Ah de la batería, para compensar por las
pérdidas durante el proceso de carga.
EVALUACION DEL ESTADO DE CARGA
El valor del voltaje a circuito abierto para una batería no representa una buena indicación
del estado de carga o la vida útil de la misma. Para que esta medición tenga alguna
significación, la lectura debe ser precedida por la carga de la misma, seguida de un
período de inactividad de varias horas. El voltímetro a usarse deberá ser capaz de leer
dos decimales con precisión. La medición de la densidad del electrolito constituye una
evaluación más fiable, pues se mide un grupo de celdas por separado. Diferencias
substanciales en el valor de la densidad entre un grupo de celdas y los restantes dá una
indicación clara del envejecimiento de la misma (Capítulo 13). Un voltaje que es
importante es el de “final de descarga” para la batería. Este valor está dado por el
fabricante, pero es siempre cercano a los 10,5V, para una batería de Pb-ácido de 12V
nominales, trabajando a una temperatura cercana a los 25°C.
CONGELACION DEL ELECTROLITO
Un problema que suele presentarse cuando la temperatura del electrolito alcanza los
0°C está relacionado con el estado de carga de la batería. Si ésta está prácticamente
descargada, la cantidad de agua en la solución electrolítica es mayor, como indicamos
anteriormente. Al bajar la temperatura del electrolito existe la posibilidad de que el
agua se congele. Si esto ocurre, su volumen aumenta. La fuerza de esta expansión
distorsiona los electrodos, pudiendo dañar las celdas o quebrar la caja. El ácido del
electrolito actúa como anticongelante, de manera que es extremadamente importante
mantener la carga de las baterías cuando la temperatura de trabajo disminuye. Una
batería solar del tipo Pb-ácido, totalmente descargada, se congela alrededor de los
-10°C. Si está totalmente cargada, el punto de congelación se alcanza alrededor de los
-58°C .
TEMPERATURA ELEVADA
Si las bajas temperaturas causan tantos problemas, algún lector puede concluír que las
temperaturas ambientes elevadas son las ideales. La conclusión es errónea, pues la
mayor actividad química se traduce en una reducción en la vida útil de una batería de
Pb-ácido, como lo muestra la tabla dada a continuación.
GASIFICACION
Cuando una batería de plomo-ácido está próxima a alcanzar el 100% de su carga, la
cantidad de agua en el electrolito ha sido severamente reducida. Los iones que ésta
provee se hacen más escasos, disminuyendo la posibilidad para el ión de hidrógeno
(electrodo negativo) y para el ión de oxígeno (electrodo positivo) de reaccionar
químicamente, formando plomo y dióxido de plomo, respectivamente. Si la corriente
de carga continúa al mismo nivel, el exceso de gases escapa del electrolito produciendo
un intenso burbujeo, el que se conoce como “gasificación”.
Si el proceso de carga no es controlado, el exceso de oxígeno comienza a oxidar los
sostenes de plomo de las celdas, pudiendo causar el derrumbe de los mismos. Este
fenómeno es conocido como la “muerte súbita” de la batería, ya que ocurre sin dar
aviso previo. Una gasificación excesiva arrastra parte del electrolito, el que es expulsado
fuera de la batería, a través de los tapones de respiración. Este material contiene
ácido sulfúrico, dañando los terminales de salida y disminuyendo la cantidad de ácido
dentro de la batería. El proceso de carga de una batería de Pb-ácido debe minimizar la
gasificación del electrolito. Algo de gasificación es útil, pues contribuye a homogeneizar
la solución electrolítica. Para una batería solar de Pb-ácido de 12V nominales,
trabajando alrededor de los 25°C, un voltaje de carga de 14,28V proporciona un nivel
tolerable de gasificación. Un voltaje más elevado provoca un nivel de gasificación
excesivo.
SULFATACION
Hemos visto que la descarga de las baterías de plomo-ácido trae aparejado un depósito
de sulfato de plomo en ambas placas. Normalmente este depósito está constituído por
pequeños cristales, que se descomponen fácilmente durante el proceso de carga. Si,
por el contrario, la batería ha sido descargada repetidas veces por debajo del mínimo
especificado, es pobremente cargada, o permanece descargada por largo tiempo, el
tamaño de los cristales crece, y sólo una parte de ellos interviene en el proceso de
carga. Esto se traduce en una disminución de la superficie activa del electrodo,
disminuyendo la capacidad de almacenaje. Este fenómeno se lo conoce con el nombre
de sulfatación de la batería. En lugares donde los períodos nublados son de larga
duración las baterías pueden permanecer en estado de baja carga, por largo tiempo,
induciendo la sulfatación de las placas. Una carga a régimen de corriente elevado
puede disolver esta formación cristalina (proceso de ecualización).
AUTODESCARGA
Una batería que está cargada y permanece inactiva, independientemente de su tipo,
pierde su carga con el tiempo. Este fenómeno es conocido como autodescarga. La
rapidez de la descarga depende de la temperatura ambiente y del tipo de batería. Al
analizar los distintos tipos de baterías en el Capítulo 6, se dan valores específicos de
autodescarga para los modelos descriptos.
NORMAS DE SEGURIDAD
El proceso de carga en una batería de Pb-ácido genera dos tipos de gases: oxígeno e
hidrógeno. Ambos son sumamente activos, de manera que las baterías deben estar en
un lugar que tenga ventilación al exterior. En particular, una llama o chispa puede
iniciar una reacción química entre el oxígeno y el hidrógeno, la que se lleva a cabo con
una fuerte explosión. Por ello es importante no fumar o producir chispas eléctricas en
el área donde se alojan las baterías. El electrolito de estas baterías es altamente corrosivo,
atacando metales y susbstancias orgánicas. Al manejar baterías de Pb-ácido se
recomienda el uso de guantes, botas y ropa protectora de goma. Si accidentalmente
Ud llegare a entrar en contacto con el electrolito, lávese las manos con abundante
agua, para evitar el ataque a la piel. Es muy importante tener a mano bicarbonato de
soda. Esta substancia neutraliza al ácido sulfúrico y dado su bajo costo, puede usarse
para neutralizar ácido derramado en el piso o en herramientas.
ENVEJECIMIENTO
Con el tiempo, todas las baterías pierden la capacidad de acumular carga, ya que con
cada descarga se pierde algo del material activo. Sin embargo, la vida útil de las
mismas puede ser prolongada si se las mantiene cargadas, no se sobrecargan ni
descargan en exceso, permanecen en un lugar que no sufre temperaturas extremas, no
son sometidas a cortocircuitos, y se reemplaza el agua destilada que pierden.
Nunca agregue ácido al eletrolito o productos “restauradores” milagrosos. Durante la
carga, iones de hidrógeno y oxígeno intervienen en el proceso químico, disminuyendo
la cantidad de agua. Cuando la temperatura ambiente es elevada, esta pérdida se acentúa.
Restaure el nivel del electrolito, agregando sólo agua destilada, al nivel recomendado
por el fabricante. No sobrepase ese nivel, ya que el electrolito y los gases generados
necesitan espacio para expandirse.
El problema más grande con los diodos es la perdida o 'caída de tensión' que se produce en ellos. Efectivamente; Si a los 14,2 voltios que entrega el alternador del motor le restamos los 0,6 voltios que se pierden en el diodo a la batería le llegarán 14,2 - 06 = 13,6 voltios. Desgraciadamente 13,6 voltios son insuficientes para cargar al máximo y de forma completa las baterías de última generación.