Batería de plomo-ácido: componentes, funcionamiento y características eléctricas

Componentes y Funcionamiento de la Batería de Plomo

La batería de plomo tiene la misión de almacenar la energía eléctrica producida por un generador. Esta energía se utiliza para arrancar el motor térmico y para asistir al generador en caso de que sea necesario suministrar corriente a varios circuitos. El conjunto consiste en una caja de polipropileno con 6 vasos o compartimientos internos independientes. Dentro de cada uno se dispone de un acumulador de plomo. Las placas se apoyan en resaltes para elevarlas del fondo y evitar comunicación o cortocircuito en el vaso. Están sumergidas en un líquido llamado electrolito, formado por agua destilada y ácido sulfúrico. En la parte superior lleva una tapa con 6 agujeros para reponer el agua, o sin agujeros en baterías sin mantenimiento. En los extremos sobresalen los terminales de conexión de plomo, positivo y negativo, que son de distinto diámetro. Cada vaso debe tener un respiradero para evacuar los gases. En baterías sin mantenimiento, el respiradero lo lleva en el lateral y es común para los 6 vasos.

Acumulador de Plomo: Composición y Reacciones

El acumulador de plomo está compuesto por una placa positiva (ánodo) con óxido de plomo (PbO₂) y una placa negativa (cátodo) con plomo puro (Pb). Cada placa está formada por un soporte reticular con disposición radial de Pb-Sb (antimonio), donde se inyecta la materia activa, PbO₂ para la placa positiva o Pb para la negativa. Entre cada placa positiva y negativa se dispone un separador aislante microporoso. En baterías sin mantenimiento, los armazones son de una aleación Pb-Ca, que consume muy poca agua y disminuye la autodescarga. El electrolito es una mezcla de agua pura desionizada y ácido sulfúrico al 33%, que cubre las placas de cada acumulador.

• Conexión en serie: Un acumulador de plomo cargado dispone de una tensión de aproximadamente 2.2V. Por lo tanto, se necesitan 6 elementos acumuladores conectados en serie, mediante puentes metálicos, para obtener una tensión superior a 12V entre los terminales o bornes.

Electrólisis y Electrolito: Definiciones y Procesos

Electrólisis: Fenómeno que aparece al hacer pasar una corriente eléctrica por un electrolito, produciendo la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno.

Electrolito: Disolución en agua de una sal o de un ácido, produciéndose una ionización de las moléculas, quedando divididas en aniones y cationes que, al tener carga eléctrica, proporcionan conductividad al electrolito, permitiendo el paso de la corriente eléctrica. La celda electrolítica con SO₄H₂. Si introducimos dos electrodos metálicos y los conectamos a un generador, se establece una corriente polarizando los electrodos. Los aniones y cationes son atraídos por los electrodos intercambiando electrones, permitiendo una corriente eléctrica por el electrolito. En el ánodo, el SO₄ que ha cedido electrones es inestable y se combina con el agua liberando O₂. En el cátodo, el ion H⁺ toma electrones y se escapa al exterior como H₂.

Proceso de Descarga de la Batería

El potencial de electrodo se refiere a la tendencia de los átomos de un electrodo metálico sumergido en un electrolito a ceder electrones al electrodo, quedando cationes del metal libres en el electrolito.

• Batería cargada: En la placa positiva de PbO₂ se disocia en Pb⁴⁺ y 2 O^2-, y en la negativa el Pb pasa a Pb²⁺. El electrolito tiene una densidad alta de 1,28 g/cm³.
• Proceso: Los 2 electrones (2e^-) de la placa negativa pasan por el circuito exterior encendiendo la lámpara. Estos electrones los toma la placa positiva y el Pb⁴⁺ pasa a Pb²⁺. Los Pb²⁺ de las dos placas se combinan con los iones sulfatos SO₄^2- del electrolito, dando sulfato de plomo (PbSO₄). Los oxígenos de la placa positiva se combinan con 2H⁺ del electrolito formando agua que se incorpora al electrolito.

Al final de la descarga, las dos placas son de sulfato de plomo (PbSO₄) y la densidad del electrolito baja pasando a 1,10 g/cm³. La batería está descargada.

Proceso de Carga de la Batería

Con la batería descargada, ambas placas son de SO₄Pb y el electrolito tiene una densidad baja de 1,10 g/cm³.

• Proceso: El generador crea una corriente eléctrica que rompe el SO₄Pb de ambas placas. Los sulfatos de SO₄^2- pasan al electrolito. En la placa positiva, los Pb⁴⁺, al quitarle el generador dos electrones, se combinan con 2 O^2- del agua del electrolito, formando PbO₂. En la placa negativa, el Pb²⁺ toma los 2 electrones (2e^-) transportados por el generador formándose Pb puro. Los sulfatos SO₄^2- en el electrolito se combinan con los 2H⁺ del agua, formando de nuevo SO₄H₂, liberando oxígeno.

Al final de la carga, la densidad sube a un valor alto de 1,28 g/cm³. La batería está cargada. Al final del proceso de carga, aumenta la electrólisis con desprendimiento en forma de burbujas de H₂ en el cátodo y O₂ en el ánodo.

Características Eléctricas de una Batería

• Tensión nominal: Es la tensión resultante de unir 6 vasos en serie. Cada vaso tiene una tensión de 2,2V, por tanto, 6 * 2.2 = 13,2V. Esta tensión se reduce a 12 voltios cuando sometemos a la batería a descarga, debido a la caída por la resistencia interna. V = E - r * I.
• Capacidad nominal: Es la cantidad de energía que una batería es capaz de almacenar, se mide en amperios por hora (Ah). La capacidad útil en descarga es algo menos en función del rendimiento de la batería. A efectos prácticos, podemos definir la capacidad nominal como la cantidad de energía capaz de suministrar hasta que la tensión baje a 10V, con un régimen o intensidad de descarga para un tiempo de 20 horas. Q = I * t = A * h.
• Intensidad de descarga rápida: Es el valor de intensidad máxima que la batería es capaz de entregar en una descarga de 20 segundos a -18ºC.