Información general sobre las baterías

La electricidad no fue inventada,se descubrió ya que existe de forma natural en el mundo. Tampoco era sólo una persona a descubrir y explicar la electricidad. Durante siglos, muchos científicos han contribuido a la comprensión y el conocimiento que ha cambiado la electricidad de notable fenómeno a una parte indispensable de nuestra vida y probablemente también de nuestro futuro.

Alrededor del año 600 aC, el filósofo griego Tales de Mileto descubrió que cuando el ámbar se frota contra la tela los objetos ligeros se adhieren a ella. La fricción había generado la electricidad estática. La piedra de color ámbar se llama electrones en griego. De ahí el nombre de la electricidad. Durante los siguientes 2400 años la investigación científica se centraría en la electricidad estática.

No fue hasta 1797 que Alessandro Volta creó su famosa Pila y entró en el campo de la electrodinámica. A partir de ahí el interés teórico de la electricidad estática se pierde y el siglo XIX nos traería una multitud de aplicaciones prácticas de la electricidad


 

      - La célula primaria

En 1786 el biólogo Luigi Galvani diseccionó una rana. Cada vez que el bisturí de acero de Galvani tocaba un gancho de bronce que sostenía la pierna de la rana en su lugar, la pierna se contraía. Galvani creyó que esta energía provenía de dentro del animal y lo llamó "electricidad animal".

Alejandro Volta, amigo y socio de Galvani, no estaba de acuerdo. Estaba convencido de que la electricidad se genera por los dos metales diferentes en un medio húmedo. Los experimentos confirmaron esto y en 1797 Volta construyó la primera batería real, la pila voltaica. La pila consistía en 49 pares de discos alternos de cobre y zinc, separados por un paño, empapados en salmuera. Cuando ambos extremos se conectaran por un conductor la corriente correría.

En una pila voltaica la electricidad se genera por reacción química y, una vez agotada, la pila no se puede recargar. Esto se llama una célula primaria.

 

     -  La célula secundaria

En 1803, el físico alemán Johann Wilhelm Ritter construyó una pila voltaica a la inversa. La pila Ritter consistía en discos de cobre solamente, también aquí separadas por capas de fondo de cartón empapadas en una solución salina. La columna de Ritter podía almacenar energía eléctrica, pero no producirla. Eso es lo que llamamos una célula, batería o acumulador de almacenamiento secundario. La electricidad necesaria para cargar la pila Ritter, sólo podía ser obtenida de una fuente de energía primaria, como una pila voltaica. Eso hizo el descubrimiento de Ritter interesante, pero de poca utilidad práctica.

1854 surgió un desarrollo importante. El médico y científico alemán Joseph Sinsteden colocó dos placas de plomo en un recipiente con ácido sulfúrico diluido. El ácido sulfúrico reaccionó con la superficie de las placas y se formó una capa de sulfato de plomo. Sinsteden conectó las placas a una fuente de alimentación primaria y vió que una capa de óxido de plomo se formaba en una placa y plomo esponjoso en la otra. Después de esta carga la batería podía ser descargada de nuevo con una corriente de no menos de 2V, mucho más de lo que nunca se consiguió por los predecesores de Sinsteden, Volta y Ritter. Durante la descarga el sulfato de plomo se formó en ambas placas al igual que la primera vez por lo que el proceso podía comenzar de nuevo. Había nacido la batería de plomo!

 

      - La celda Planté

El científico belga Gaston Planté tomó como base para sus investigaciones los resultados de Sinsteden. En 1861 desarrolló la primera batería secundaria para uso práctico, en el que las láminas de plomo se enrollan en bobinas separadas por tiras de fieltro.

En la celda Planté ya vemos las características de la batería de plomo-ácido de hoy: ácido sulfúrico diluido sobre dos láminas de plomo cubiertas por sulfato de plomo. La lámina de plomo sólo se utiliza como conductor, en el sulfato de plomo es donde se lleva a cabo el proceso real y es por eso que se llama la masa activa. Se llama formación a la preparación de la placa de plomo para la conversión en sulfato de  plomo.

La formación en las placas Planté era una tarea difícil y consumía tiempo. Antes de conseguir formar el suficiente sulfato de plomo en la placa de plomo, se tenía que cargar y descargar repetidamente. Podría llevar semanas y a veces meses obtener la capacidad deseada.

En 1881 la celda Planté fue mejorada por Charles Francis Brush: a las placas de plomo que habían sido punteadas, ranuradas o perforadas les aplicó un baño de óxido de plomo finamente pulverizado en las cavidades. Esta construcción sigue siendo la base de la celda Planté actual.

 

     - La placa de pasta

En Europa Emile Alphonse Fauré hizo una pasta de plomo que consistía en óxido de plomo, ácido sulfúrico y agua con el que fabricó unas placas que después del secado se cubrían con sulfato de plomo. Una sola carga de la placa de Fauré consiguió una capacidad muchas veces mayor que una placa Planté.

Desafortunadamente, la adherencia de la masa activa en la superficie de la placa lisa no era muy duradera y después de unos pocos ciclos la batería se convertía en inutilizable. La solución llegó al mismo tiempo desde dos lados diferentes. John Scudamore Sellon y Ernest Volckmar producen una placa perforada de plomo con antimonio, en el que la pasta de plomo de Fauré se adhiere perfectamente. Esta es la misma placa de rejilla pegada que todavía hoy se utiliza en todas las baterías de placa plana.

Las nuevas tecnologías y, en particular, la construcción de las placas, fueron protegidas por un gran número de complejas patentes. Por esta razón, muchos productores estaban buscando un reemplazo para el óxido de plomo como material de partida. Alrededor de 1889 se utilizó cloruro de plomo por Clemente Payen en América y por Francois Laurent Cely en Inglaterra. Al cabo de unos años, este proceso fue abortado, pero para entonces se habían convertido en dos de los mayores fabricantes de baterías en el mundo: en América la Compañía de Baterías de Almacenamiento Eléctrico y en Inglaterra la Compañia de Almacenamiento Eléctrico Chloride, ahora conocida como el Grupo Chloride .

 

      - La placa tubular

En la revista Mundo Eléctrico de 1890, Volumen 16, S Currie informa que ha diseñado una placa positiva tubular. La placa deriva su fuerza de tubos llenos de masa activa en la que una columna de plomo sirve como conductor.

En este diseño la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica se separan, en contraste con la placa de rejilla que realiza ambas funciones: apoyar la masa activa y conducir la electricidad a los terminales. Una placa tubular positiva consiste en un número de espinas conectado a una barra superior como un tenedor.

Las baterías tubulares son muy populares en Europa y Japón debido al excelente rendimiento en aplicaciones estacionarias y de tracción. En inglés se les conoce como baterías Ironclad, y en alemán como Panzerplatte (abreviado Pz). Las placas tubulares pueden tener 19 (DIN) o 14 espinas (Brittish estándar).

 

      - Contexto histórico

Con el desarrollo de la batería secundaria surgió la necesidad de una fuente de energía mejor que una batería principal. Esta evolución ya se había iniciado por Michael Faraday con su descubrimiento de la inducción magnética.

En 1866, Werner von Siemens y Charles Wheatstone presentan al mismo tiempo un diseño práctico para un Dynamo.

Zénobe Gramme inventó en 1871 el Dynamo de Gramme, que fue el primero en generar electricidad a escala comercial. Gramme descubrió por casualidad que cuando dos Gramme-dinamo se conectan en paralelo, una dínamo actuó como un motor accionado eléctricamente por el otro. Fue el primer motor eléctrico  industrial desarrollado con éxito.

Y así, todo tuvo sentido: El Dynamo podría generar electricidad, la batería secundaria podría almacenarla y el motor eléctrico podría convertir la energía eléctrica en energía mecánica. El desarrollo y la fabricación de baterías secundarias fue a toda marcha. En 1890, por ejemplo, - debido a la falta de fiabilidad del motor de combustión - nueve de cada diez coches eran eléctricos.

 

      - Batería de plomo-anitmonio

El principio básico de la batería convencional es una placa de rejilla fundida de una aleación de plomo y antimonio, éste en proporciones de hasta 12% o más. Básicamente es la misma batería con placas empastadas inventadas por Volckmar y Sellon hace 120 años. El antimonio fortalece el plomo blando, mejora la adhesión de la masa activa y protege contra la corrosión. A menudo los componentes adicionales, tales como selenio y arsénico se añaden con el fin de mejorar aún más las propiedades.

La carga de antimonio puede producir un gas muy venenoso llamado estibina o hidruro de antimonio (SbH3). Tiene el olor característico a huevos podridos. La estibina no es térmicamente muy estable: se disuelve lentamente a temperatura ambiente. Los productos de descomposición son el hidrógeno y el antimonio metálico. Este último se deposita sobre la placa negativa. Como resultado, la tensión de gas en la placa negativa se reducirá en 200 mV por lo que la batería producirá más gases y consumirá más agua. Al mismo tiempo, la tasa de autodescarga se incrementará.

A medida que más antimonio se deposita sobre la placa negativa más estibina será producida durante la carga. Más estibina significa más depósito en la placa negativa, y esta es la razón por la que una batería con alto contenido de antimonio sufrirá de un mayor consumo de agua y auto-descarga a medida que envejece.

 

      - Batería de bajo antimonio

Para reducir el consumo de agua y la auto-descarga, el contenido de antimonio de la red se reduce de 12% a 1-3%. Estas baterías bajas en antimonio son a veces llamadas sin mantenimiento o DIN43539/2 o EN50342-1. Sin embargo, el standard EN50342-1 se refiere a una batería con baja pérdida de agua cuando el consumo de agua es de menos de 4 g / Ah Ce. Por lo tanto, la batería de bajo mantenimiento es el término acertado; evitando la confusión con baterías selladas libres de mantenimiento (MF y VRLA)

Las características típicas de la batería de plomo-antimonio son:

Robusta, probada tecnología que con un mantenimiento adecuado proporciona una larga vida útil.

Puede ser producida cargada seca, menos peso de transporte, no hay problemas de seguridad y no se produce autodescarga. Cuando la batería es envasada al vacío se puede almacenar varios años.

La vida útil en almacenamiento se limita a tres meses una vez que la batería está llena.

Estas baterías de bajo antimonio de plomo se conocen como PbSb/SBSB o simplemente PbSb lo que significa que tanto el positivo y como el negativo son de plomo-antimonio. Pb significa plomo (latín: Plumbum) y SB antimonio (latín: Stibium)

 

      - Batería de calcio

Alrededor de 1970 los fabricantes comenzaron a sustituir el antimonio por el calcio en las baterías de arranque. El calcio en ambas placas positivas y negativas le ofrece muchas ventajas:

   Bajo consumo de agua (<1 g / Ah Ce), que es tan bajo que la cantidad original de electrolito es suficiente para durar toda la vida de diseño. Muchos fabricantes mejoran esta característica omitiendo los tapones de llenado y dejan sólo un indicador de carga. El término sellada libre de mantenimiento (en resumen MF o SMF) puede dar lugar a confusión con gel o baterías AGM. El electrolito en este tipo de baterías, sin embargo, no está inmovilizado. Cuando tienen una sobrecarga de hidrógeno éste escapará como en cualquier batería con líquido.

   Larga vida útil debido a la extremadamente baja tasa de autodescarga. Una batería completamente cargada de calcio puede ser almacenada durante más de un año antes de que alcance el 50% del estado de carga (SOC) - suficiente para comenzar a emitir su potencia de arranque.

   Baja resistencia interna. Esto permite que la batería de calcio pueda entregar su potencia de arranque muy rápido. También hace que la batería acepte altas corrientes de carga, necesitando menos tiempo para la recarga. La baja resistencia interna también tiene un lado negativo: la descarga profunda puede causar una fuerte reacción química en la placa positiva, causando la pérdida de la masa activa y acortando el ciclo de vida.

La aleación de plomo-calcio es relativamente suave. Esta propiedad hace posible que las placas de la batería se corten o perforen en bandas, llamadas tecnología de plomo expandido o plomo perforado respectivamente. Las  baterías de calcio no pueden ser secas. Estas baterías se conocen como PbCa/PbCa o Ca/CA.

       - Batería híbrida

En las baterías híbridas vemos una combinación de la actuación cíclica de la bateria de plomo-antimonio y la baja auto-descarga de su homóloga de calcio:

     > una placa positiva de baja aleación de antimonio para una mejor resistencia a la descarga profunda

     > una placa negativa de aleación de calcio para mejorar el período de inactividad (aproximadamente 6 meses)

La construcción híbrida ha demostrado ser muy exitosa para baterías de uso comercial y de doble propósito (arranque y ciclaje).

Las baterías híbridas no se pueden producir cargadas secas.

Estas baterías se conocen como PbSb/SBCA.

 

      - Recombinación

Veamos una vez más el proceso de carga. Durante la descarga la masa activa de las placas se ha convertido en sulfato de plomo. Al cargar el sulfato de plomo de la placa positiva se convirtió en dióxido de plomo, mientras que el sulfato de plomo de la placa negativa se convierte en plomo esponjoso. Al final de la carga el oxígeno se libera a la placa positiva y el hidrógeno a la placa negativa. Cuando ambos gases pueden subir a la superficie y dejar el electrolito, habrá pérdida de agua y la batería tendrá que ser rellenada con agua.

Debido a la diferencia en la aceptación de la carga entre la placa positiva y negativa, el gas se liberará en la placa positiva ligeramente antes que en la placa negativa. En el momento en que el oxígeno se libera en la placa positiva, una buena cantidad de plomo esponjoso ya se ha formado en la placa negativa. Si logramos que el oxígeno no llegue a la superficie sino que viaje a la placa negativa, reaccionará con el plomo esponjoso y formará el óxido de plomo. Posteriormente, el óxido de plomo reacciona con el electrolito y se convierte en sulfato de plomo.

Que el óxido de plomo se convierta en sulfato de plomo es, como sabemos, el resultado de la descarga. Por lo tanto, podemos concluir que al llevar el oxígeno de la placa positiva a la negativa, justo antes de que este último alcance su tensión de gas, se producirá una autodescarga que es equivalente a la carga. Esto significa que no hay tensión de gas - y por lo tanto no hay pérdida de agua. Esto es lo que llamamos una batería recombinante.

Para un funcionamiento apropiado las baterías recombinantes necesitan una sobrepresión y por lo tanto están selladas. Una válvula de seguridad de cierre automático se abre cuando la presión excede el nivel predeterminado (> 0,18 bar) y se cerrará tan pronto como el equilibrio se restablece (<0,15 bar). Por eso estas baterías se nombran a menudo como VRLA (plomo-ácido regulada por válvula). El gas que se libera en el caso de sobrepresión consistirá principalmente en oxígeno, pero también contiene algo de hidrógeno. Debido a la construcción sellada y la presión dentro, la pérdida de agua no puede ser sustituida y por lo tanto constituye un acortamiento irreversible de la vida de servicio.

Las características más importantes de una batería VRLA son:

    > Totalmente libre de mantenimiento

    > Bajas emisiones de gases en condiciones normales y en un entorno ventilado, la concentración crítica nunca debe ser superior  al 4%

    > No se libera ácido en caso de daños

 

      - VRLA o Placa de plomo con válvula reguladora

Las baterías recombinantes rara vez se conocen como tales sino con el término VRLA (plomo-ácido regulada por la válvula) o SLA (plomo hermético). Estos términos se refieren a la válvula de seguridad y la tapa sellada. Ambos elementos son importantes, por supuesto, pero sólo porque permiten que el proceso de recombinación se lleve a cabo.

Para producir una batería recombinante se necesita un electrolito más o menos sólido a través del cual el oxígeno pueda viajar a la placa negativa. Se han desarrollado dos técnicas para inmovilizar el electrolito: Gel y AGM. Ambas técnicas tienen el mismo propósito: una fuente de energía segura y sostenible, libre de mantenimiento. Ambos tipos tienen la construcción sellada y la válvula de presión de cierre automático en común. La única, pero no insignificante diferencia radica en el electrolito y los separadores.

Debido a que la batería de gel está en el mercado desde hace más de 50 años se ha convertido en sinónimo de la batería recombinante, y el término se utiliza a menudo cuando la batería en cuestión es del tipo AGM, que se desarrollaron veinte años más tarde. Esto puede dar lugar a equivocación pues la batería de AGM y la batería de gel tienen diferentes parámetros de carga.

 

      - Batería de GEL

El desarrollo de una batería que no derrame electrolito cuando se daña o caiga comenzó poco antes de la segunda guerra mundial en Alemania. En 1957 Otto Jache presentaba en nombre de la fábrica de baterías Sonnenschein la patente para un electrolito inmovilizado mediante la adición de pirólisis de sílice , que espesará el electrolito en una sustancia gelificada.

Las baterías de gel se producen con placas planas, o con placas tubulares. Las placas planas tienen separadores microporosos de PVC que proporcionan una buena protección contra la pérdida de material activo, aunque aumentando la resistencia interna. La adición de ácido fosfórico en el electrolito aumenta la capacidad cíclica, pero a expensas de una pérdida inicial de la capacidad de alrededor de 15%, que sólo será restaurado después de aproximadamente 20 ciclos en un año de servicio.

¿Ciclo profundo?

Para muchos una batería de gel es vista de forma automática como una batería de ciclo profundo, adecuada para aplicaciones de descarga profunda. No es necesariamente así. Al igual que con las baterías de plomo-ácido inundadas, el rendimiento de ciclo profundo se determina por la construcción de las placas, de ninguna manera por el electrolito.

  

      - Batería AGM

En 1972 investigadores de la American Gates Rubber Company desarrollaron una batería recombinante segura para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, con énfasis en la relación potencia-peso. Esto se logró por medio de placas positivas y negativas de una aleación de calcio, separadas por esteras de fibra de vidrio microporosos, en el que el electrolito es absorbido por acción capilar. La técnica se llama Material Vidrio Absorbente o AGM.

Los separadores de estera de vidrio microporosos consisten en tubos delgados y huecos de longitud desigual. Estas esteras de fibra son sólo para aproximadamente el 95% saturado con electrolito, el resto se utiliza para la migración de oxígeno a la placa negativa. Esta técnica se llama electrolito infraalimentado. Para compensar la pequeña cantidad de electrolito absorbido se utiliza un peso específico (SG) de 1,30. El principio de electrolito infraalimentado, tiene también un efecto positivo en el ciclo de vida de la batería AGM; en una descarga profunda la pequeña cantidad de electrolito se agotará antes de que se presente un daño permanente.

¿Descarga profunda?

Al igual que con las baterías de gel, muchos creen que cualquier batería AGM será una batería de ciclo profundo, adecuada para aplicaciones de descarga profunda. Al igual que con las baterías inundadas, el rendimiento de ciclo profundo de una batería se determina por la construcción de las placas, de ninguna manera por el electrolito. Las baterías AGM son muy populares para su uso en aplicaciones estacionarias como fuente de alimentación de emergencia, telecomunicaciones, etc. Mediante el uso de placas más gruesas se puede conseguir muy buen rendimiento cíclico, bastante similar al de una batería de gel cíclica.

       - TPPL ó placa delgada de plomo puro

Otro paso en el desarrollo de AGM ha sido Odyssey ® TPPL o placa delgada de plomo virgen puro 99,99% - no aleación. El plomo puro puede fabricarse  más delgado, por lo que se adapta mejor a la batería. Más placas en la batería significan más área de superficie en la placa y hasta dos veces más potencia que otras baterías. Estas baterías son capaces de proporcionar puntas de arranque del motor superiores a 2250 amperios durante 5 segundos, doble/triple que las baterías convencionales de igual tamaño, incluso a temperaturas muy bajas. Y puede sufrir 400 ciclos de carga-descarga al 80% de profundidad de descarga.

El uso de plomo puro, pero con una construcción muy diferente, es una característica específica de las baterías espirales de Óptima, Cyclon, Génesis y Odyssey, junto con las dos placas de plomo-estaño continuo en una espiral apretada. Este diseño elimina el rozamiento de placa a placa y el derramamiento de la masa activa.