29 agosto 2012

El proceso de carga y descarga de las baterías visto en detalle (1ª PARTE)




Un nuevo artículo sobre los sistemas de baterías, y en esta ocasión nos centramos en explicar los procesos de carga y descarga.


Las partes de una batería de plomo ácido son:
1.  Placa positiva o ánodo: Es una placa de peróxido de plomo (PbO2).
2.  Placa negativa o cátodo: Está hecha de plomo puro (Pb).
3. Electrolito: Para la necesaria acción química se usa como electrolito una solución acuosa de ácido sulfúrico (H2SO4).
4.  Separadores: Las placas positivas y negativas están dispuestas en grupos y se colocan alternativamente. Los separadores se usan para prevenir que entren en contacto una con otra y se cortocircuite la célula.
5. Contenedor: El ensamblaje completo de las placas en la solución se coloca en el contenedor de plástico o cerámico.
6.     Bloques de fondo: Para prevenir el cortocircuito de las células debido al material activo caído de las placas, el espacio conocido como bloques de fondo es proporcionado en el fondo del contenedor.
7.  Conector de placa: El número de placas negativas y positivas se ensamblan alternativamente. Para conectar las placas positivas entre sí se usan conectores llamados de placa.
8.  Tapones de venteo: Están hechos de goma y atornillados sobre la célula. Su función es permitir que escapen los gases y prevenir que escape el electrolito.
Varias placas están soldadas a los conectores de placa. Las placas están inmersas en una solución de H2SO4.

Funciones de los separadores

Los separadores tienen las siguientes funciones en la construcción de baterías de plomo ácido:
1.      Actúan como espaciadores mecánicos para prevenir que las placas entren en contacto con otra.
2.      Previenen el crecimiento de árboles de plomo que pueden formarse en las placas negativas debido a la acumulación pesada que puede alcanzar la placa positiva para cortocircuitar la célula.
3.  Ayudan a prevenir se desmenucen las placas de material activo. Los separadores deben ser mecánicamente fuertes y deben ser porosos para permitir la difusión del electrolito a través de ellos.

Acción química en la batería de plomo ácido

La acción química en la batería de plomo ácido puede dividirse en tres procesos:
1.       Primera carga.
2.       Descarga.
3.       Recarga.
Discutamos el proceso en detalle.
1.       Primera carga: Cuando la corriente pasa por primera vez a través del electrolito, el H2O en el electrolito se electroliza como:
Los iones de hidrógeno cargados positivamente son atraídos hacia uno de los electrodos que actúan como cátodo (negativo). El hidrógeno no combina con plomo y de ahí el cátodo retiene su estado y color original.
El ión oxígeno cuando se carga negativamente es atraído hacia la otra placa de plomo que actúa como ánodo (positivo). Pero este oxígeno químicamente se combina con el plomo (Pb) para formar peróxido de plomo (PbO2). Debido a la formación de peróxido de plomo el ánodo es de color castaño oscuro.
Así el ánodo es castaño oscuro debido a la capa de peróxido de plomo depositado en él mientras el cátodo es electrodo de plomo esponjoso.
Así existe una diferencia de potencial ente el ánodo positivo y el cátodo negativo que puede usarse para activar el circuito externo. La energía eléctrica obtenida de la reacción química es extraída de la batería al circuito externo, que se llama descarga.
2.       Descarga. Cuando el suministro externo se desconecta y se conecta una resistencia a través del ánodo y cátodo entonces la corriente fluye a través de la resistencia, extrayendo energía eléctrica de la batería. Esto es la descarga. La dirección de corriente es opuesta a la dirección de corriente en el momento de la primera carga.
Durante la descarga, las direcciones de los iones se invierten. Los iones H+ ahora se mueven hacia el ánodo y el SO4- - se mueven hacia el cátodo.
Esto es debido a que H2SO4 se descompone como,

En el cátodo, cada ión SO4- - llega a ser SO4 libre que reacciona con el plomo metálico para conseguir sulfato de plomo.

Así la descarga da como resultado la formación de sulfato de plomo blanquecino en ambos electrodos.
3.       Recarga. La célula proporciona la corriente de descarga durante un tiempo limitado y es necesario recargarlo después de un intervalo de tiempo regular.
Debido al flujo de la corriente de recarga tienen lugar las siguientes reacciones:
En el cátodo,
En el ánodo,

Así el PbO2 se forma en el ánodo mientras que la capa de sulfato de plomo en el cátodo se reduce y se convierte en plomo metálico gris. Así se regana la resistencia de la célula. Puede ser vista de la reacción del agua y se crea H2SO4.
Cuanto mayor es la gravedad específica del H2SO4 mejor es la carga. En una batería completamente cargada la gravedad específica estará entre 1,25 y 1,28 mientras que en baterías completamente descargadas irá de 1,15 a 1,17. El voltaje puede también usarse como un indicador de carga. En baterías completamente cargadas el voltaje irá de 2,2 a 2,5 voltios.

Características de una batería de plomo ácido

Las características principales de las baterías de plomo ácido son:
1.       La capacidad es de alrededor de 100 a 300 Ah.
2.       El voltaje es de 2,2 V para condición completamente cargadas.
3.       El coste es bajo.
4.       La resistencia interna es muy baja.
5.       La tasa de corriente es alta.
6.       La eficiencia en Ah está entre 90 – 95 %, con tasas de 10 horas.

Condiciones de una batería completamente cargada

Para determinar si una batería está completamente cargada, deben observarse las siguientes condiciones:
1.       La gravedad específica del H2SO4 debe estar entre 1,25 y 1,28.
2.       El voltaje deja de elevarse y su valor queda entre 2,2 y 2,5 V.
3.       Cuando la batería está completamente cargada comienza un gaseado violento.
4.       El color de la placa positiva se pone castaño oscuro mientras que la placa negativa adquiere el color gris pizarra.
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