Batería de plomo
PlacasEditar
La célula de plomo-ácido puede demostrarse utilizando placas de lámina de plomo para los dos electrodos. Sin embargo, esta construcción sólo produce alrededor de un amperio para unas placas del tamaño de una tarjeta postal, y sólo durante unos 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. Al principio, las pilas tenían poca capacidad, por lo que era necesario un lento proceso de «formación» para corroer las láminas de plomo, creando dióxido de plomo en las placas y haciéndolas más rugosas para aumentar la superficie. Al principio, este proceso utilizaba la electricidad de las pilas primarias; cuando se dispuso de generadores después de 1870, el coste de producción de las pilas disminuyó considerablemente. Las placas Planté se siguen utilizando en algunas aplicaciones estacionarias, en las que las placas se estrían mecánicamente para aumentar su superficie.
En 1880, Camille Alphonse Faure patentó un método para recubrir una rejilla de plomo (que sirve de conductor de la corriente) con una pasta de óxidos de plomo, ácido sulfúrico y agua, seguida de una fase de curado en la que las placas se exponían a un calor suave en un entorno de alta humedad. El proceso de curado convertía la pasta en una mezcla de sulfatos de plomo que se adhería a la placa de plomo. Después, durante la carga inicial de la batería (llamada «formación»), la pasta curada de las placas se convertía en material electroquímicamente activo (la «masa activa»). El proceso de Faure redujo significativamente el tiempo y el coste de fabricación de las baterías de plomo-ácido, y proporcionó un aumento sustancial de la capacidad en comparación con la batería de Planté. El método de Faure se sigue utilizando hoy en día, con sólo mejoras incrementales en la composición de la pasta, el curado (que todavía se hace con vapor, pero ahora es un proceso muy controlado), y la estructura y composición de la rejilla a la que se aplica la pasta.
La rejilla desarrollada por Faure era de plomo puro con varillas de conexión de plomo en ángulo recto. En cambio, las rejillas actuales están estructuradas para mejorar la resistencia mecánica y el flujo de corriente. Además de los diferentes patrones de la rejilla (lo ideal es que todos los puntos de la placa sean equidistantes del conductor de corriente), los procesos modernos también aplican una o dos finas esteras de fibra de vidrio sobre la rejilla para distribuir el peso de manera más uniforme. Si bien Faure utilizó plomo puro para sus rejillas, al cabo de un año (1881) se sustituyó por aleaciones de plomo-antimonio (8-12%) para dar mayor rigidez a las estructuras. Sin embargo, las rejillas con alto contenido de antimonio tienen una mayor evolución del hidrógeno (que también se acelera a medida que la batería envejece) y, por tanto, una mayor desgasificación y mayores costes de mantenimiento. Estos problemas fueron identificados por U. B. Thomas y W. E. Haring en los Laboratorios Bell en la década de 1930 y finalmente condujeron al desarrollo de aleaciones de rejilla de plomo-calcio en 1935 para las baterías de energía de reserva de la red telefónica estadounidense. Unas investigaciones conexas condujeron al desarrollo de aleaciones de plomo-selenio en Europa unos años más tarde. Tanto las aleaciones de rejilla de plomo-calcio como las de plomo-selenio siguen añadiendo antimonio, aunque en cantidades mucho menores que las antiguas rejillas con alto contenido en antimonio: las rejillas de plomo-calcio tienen entre un 4 y un 6% de antimonio, mientras que las de plomo-selenio tienen entre un 1 y un 2%. Estas mejoras metalúrgicas dan a la rejilla más resistencia, lo que le permite soportar más peso, es decir, más material activo, y así 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 inutilizada. Las rejillas de aleación de antimonio se siguen utilizando en baterías destinadas a ciclos frecuentes, por ejemplo, en aplicaciones de arranque de motores en las que es necesario compensar la expansión/contracción frecuente de las placas, pero en las que la desgasificación no es significativa, ya que las corrientes de carga siguen siendo bajas. Desde la década de 1950, las baterías diseñadas para aplicaciones de ciclos 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 evolución de hidrógeno y, por tanto, menos gastos de mantenimiento. Las rejillas de aleación de plomo-calcio son más baratas de fabricar (por lo que las celdas tienen menores costes iniciales), y tienen una menor tasa de autodescarga y menores necesidades de riego, pero tienen una conductividad ligeramente inferior, son mecánicamente más débiles (y, por lo tanto, requieren más antimonio para compensar) y están más sujetas a la corrosión (y, por lo tanto, tienen 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 de la batería que se observó cuando se sustituyó el calcio por el antimonio. También se conoce como el efecto sin antimonio.
La pasta actual contiene negro de humo, blanc fixe (sulfato de bario) y lignosulfonato. El blanc fixe actúa como un cristal semilla para la reacción de plomo a sulfato de plomo. El blanc fixe debe estar totalmente disperso en la pasta para que sea eficaz. El lignosulfonato impide que la placa negativa forme una masa sólida durante el ciclo de descarga, permitiendo en cambio la formación de largas dendritas en forma de aguja. Los cristales largos tienen más superficie y se convierten fácilmente en el estado original durante la carga. El negro de humo contrarresta el efecto de inhibición de la formación causado por los lignosulfonatos. El dispersante de condensado de naftalina sulfonada 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 tanto, mejora las características de manipulación y pegado. Prolonga la vida útil de las baterías al aumentar la tensión de fin de carga. La naftalina sulfonada requiere entre un tercio y la mitad de la cantidad de lignosulfonato y es estable a temperaturas más altas.
Una vez secas, las placas se apilan con separadores adecuados y se introducen en un contenedor de pilas. Las placas alternadas constituyen entonces electrodos positivos y negativos alternados, y dentro de la célula se conectan posteriormente entre sí (negativo con negativo, positivo con positivo) en paralelo. Los separadores impiden que las placas se toquen entre sí, lo que de otro modo constituiría un cortocircuito. En las pilas inundadas y de gel, los separadores son raíles o tacos aislantes, antes de vidrio o cerámica, y ahora de plástico. En las pilas AGM, el separador es la propia estera de vidrio, y el conjunto de placas con los separadores se aprieta antes de introducirlo en la pila; una vez en la pila, las esteras de vidrio se expanden ligeramente, bloqueando las placas en su sitio. En las baterías multicelulares, las celdas se conectan entre sí en serie, bien a través de conectores que atraviesan las paredes de la celda, bien mediante un puente sobre las mismas. Todas las conexiones intracelulares e intercelulares son de la misma aleación de plomo que la utilizada en las rejillas. Esto es necesario para evitar la corrosión 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 denomina tubular o cilíndrica. La ventaja de esto es una mayor superficie de contacto con el electrolito, con mayores corrientes de descarga y carga que una célula de placa plana del mismo volumen y profundidad de carga. Las células de electrodos tubulares tienen una densidad de potencia mayor que las células planas. 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 el arranque de motores diesel marinos. Sin embargo, como los tubos/cilindros tienen menos material activo en el mismo volumen, también tienen una menor densidad de energía que las placas planas. Y, al tener menos material activo en el electrodo, también tienen menos material disponible para desprenderse antes de que la célula quede inutilizada. Los electrodos tubulares/cilíndricos también son más complicados de fabricar de manera uniforme, por lo que suelen ser más caros que las pilas planas. Estas compensaciones limitan la gama de aplicaciones en las que las baterías tubulares/cilíndricas tienen sentido a situaciones en las que no hay espacio suficiente para instalar unidades de placa plana de mayor capacidad (y, por tanto, más grandes).
Alrededor del 60% del peso de una batería de plomo-ácido de tipo automovilístico con una capacidad de unos 60 A-h es plomo o partes internas hechas de plomo; el resto es electrolito, separadores y la carcasa. Por ejemplo, hay aproximadamente 8,7 kg (19 lb) de plomo en una batería típica de 14,5 kg (32 lb).
SeparadoresEditar
Los separadores entre las placas positivas y negativas evitan el cortocircuito a través del contacto físico, principalmente a través de las dendritas («arborización»), pero también a través del desprendimiento del material activo. Los separadores permiten que el flujo de iones entre las placas de una célula electroquímica forme un circuito cerrado. Se han utilizado madera, caucho, estera de fibra de vidrio, celulosa y plástico de PVC o polietileno para fabricar separadores. La madera era la opción 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 ofrecer.
Un separador eficaz debe poseer una serie de propiedades mecánicas; como la permeabilidad, la porosidad, la distribución del tamaño de los poros, la superficie específica, el diseño y la resistencia mecánica, la resistencia eléctrica, la conductividad iónica y la 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 mayor que el área de las placas para evitar el cortocircuito del material entre las placas. Los separadores deben permanecer estables a lo largo del rango de temperaturas de funcionamiento de la batería.
Materia de vidrio absorbente (AGM)
En el diseño de la estera de vidrio absorbente, o AGM para abreviar, los separadores entre las placas se sustituyen por una estera de fibra de vidrio empapada en electrolito. Sólo hay suficiente electrolito en la estera para mantenerla húmeda, y si la batería se perfora, el electrolito no saldrá de las esteras. Principalmente, el propósito de sustituir el electrolito líquido en una batería inundada por una esterilla 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 esterilla de vidrio y reducir u oxidar la placa opuesta, respectivamente. En una pila inundada, las burbujas de gas flotan hacia la parte superior de la batería y se pierden en la atmósfera. Este mecanismo para que el gas producido se recombine y la ventaja adicional de una célula semisaturada que no proporciona una fuga sustancial de electrolito al perforar físicamente la carcasa de la batería, permite que la batería esté completamente sellada, lo que la hace útil en dispositivos portátiles y funciones similares. Además, la batería puede instalarse en cualquier orientación, aunque si se instala al revés, el ácido puede salir a través del respiradero de sobrepresión.
Para reducir la tasa de pérdida de agua, se alea el calcio con las placas, aunque 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 purga de un solo sentido, 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, aumentando ligeramente la densidad energética en comparación con las versiones de líquido o gel. Las baterías AGM suelen mostrar un «abultamiento» característico en sus carcasas cuando se construyen con formas rectangulares comunes, debido a la expansión de las placas positivas.
La estera también impide el movimiento vertical del electrolito dentro de la batería. Cuando una pila húmeda normal se almacena en estado de descarga, las moléculas de ácido más pesadas tienden a depositarse en el fondo de la batería, haciendo que el electrolito se estratifique. Cuando se utiliza la batería, la mayor parte de la corriente fluye sólo en esta zona, y la parte inferior de las placas tiende a desgastarse rápidamente. Esta es una de las razones por las que una batería de coche convencional puede arruinarse si se deja almacenada durante un largo periodo y luego se utiliza y recarga. La estera evita en gran medida esta estratificación, eliminando la necesidad de agitar periódicamente las baterías, hervirlas o realizar 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, que puede congelarse en climas fríos, las AGM son significativamente menos susceptibles de sufrir daños debido al uso a bajas temperaturas.
Aunque las celdas AGM no permiten el riego (normalmente es imposible añadir agua sin perforar un agujero en la batería), su proceso de recombinación está fundamentalmente limitado por los procesos químicos habituales. El gas hidrógeno se difunde incluso a través de la propia carcasa de plástico. Algunos han descubierto que es rentable añadir agua a una batería AGM, pero 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, incrementando la tasa de corrosión de las placas de forma significativa. Las celdas AGM ya tienen un alto contenido de ácido en un intento de reducir la tasa de pérdida de agua y aumentar la tensión de reserva, y esto conlleva una menor vida útil en comparación con una batería inundada de plomo-antimonio. Si la tensión 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 mayor contenido de ácido que una celda inundada; si bien esto es normal para una batería AGM, no es deseable para una larga vida útil.
Las celdas AGM que se sobrecargan intencional o accidentalmente mostrarán una mayor tensión de circuito abierto de acuerdo con el agua perdida (y el aumento de la concentración de ácido). Un amperio-hora de sobrecarga electrolizará 0,335 gramos de agua por celda; parte de este hidrógeno y oxígeno liberado se recombinará, pero no todo.
Electrólitos gelificadosEditar
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 basadas en gel de sílice utilizadas en radios portátiles desde principios de la década de 1930 no estaban completamente selladas). Esto convierte el interior antes líquido de las celdas en una pasta semirrígida, proporcionando muchas de las mismas ventajas de la AGM. Estos diseños son incluso menos susceptibles a la evaporación y suelen utilizarse en situaciones en las que el mantenimiento periódico es escaso o nulo. Las celdas de gel también tienen puntos de congelación más bajos y de ebullición más altos que los electrolitos líquidos utilizados en las celdas húmedas convencionales y en las AGM, lo que las hace adecuadas para su uso en condiciones extremas.
El único inconveniente del diseño del gel es que éste impide el movimiento rápido de los iones en el electrolito, lo que reduce la movilidad de los portadores y, por lo tanto, la capacidad de sobrecorriente. Por esta razón, las células de gel se encuentran más comúnmente en aplicaciones de almacenamiento de energía como los sistemas fuera de la red.