Introducción a las baterías de plomo ácido

Nota introductoria: Gran parte de la confusión percibida entre los usuarios de baterías de todo tipo, y en particular para los entusiastas de los deportes de potencia, se debe en gran medida a la amplia variedad de métodos de construcción utilizados para fabricar baterías de plomo ácido. Aunque en su mayor parte, el funcionamiento electroquímico de estas baterías de ácido de plomo de construcción diferente es muy similar, los fabricantes recomiendan que estas baterías se usen en diferentes aplicaciones y que se carguen con métodos ligeramente diferentes.

Contenido:

¿Qué es una batería?

Una batería es un dispositivo que almacena energía. La forma en que almacena energía es manteniendo juntos diferentes materiales electroquímicamente activos de tal manera que pueden generar y almacenar electrones libres (energía potencial eléctrica) durante largos períodos de tiempo y solo entregar esa energía cuando el usuario de la batería lo exige.

Las propiedades inherentes de los materiales electroquímicamente activos les permiten almacenar energía químicamente y luego liberar esa energía eléctricamente como un biproducto de una reacción química. Si omitimos la explicación de cómo una batería "cobra vida", y saltamos a un punto donde la batería ya ha experimentado varias descargas y recargas, entonces podemos decir que la batería realmente almacena carga eléctrica. La producción de la carga eléctrica se produjo como un producto derivado de una reacción química. Es posible que desee pensar en esto como algo similar a la forma en que la gasolina almacena su energía químicamente y luego libera esa energía térmicamente como un subproducto de una reacción química.

Como la carga eléctrica tiene una polaridad, las cargas individuales intentarán viajar hacia la polaridad que es opuesta a su propia polaridad. Las polaridades opuestas se atraen y las polaridades similares repelen. Recuerde también que una batería contiene un terminal positivo y uno negativo. Por lo tanto, la carga eléctrica está sentada, esperando moverse cuando existe un camino conductor adecuado para permitir que el movimiento de carga o la corriente eléctrica fluya. El truco para hacer que una batería entregue su energía eléctrica es proporcionar una ruta conductora de la electricidad que conecte los terminales de la batería a un dispositivo que requiere una cierta cantidad de corriente eléctrica para funcionar.

Este es un punto muy importante para la seguridad. La cantidad de energía que almacena una batería es bastante sustancial. La cantidad de energía entregada por una batería solo está limitada por su capacidad y la resistencia al flujo de corriente eléctrica que existe a través de los terminales de la batería. Si no hay nada conectado a los terminales de la batería, entonces la resistencia al flujo de corriente eléctrica es infinita, o al menos muy, muy grande. Por lo tanto, no fluirá corriente eléctrica fuera de la batería entre sus terminales. Esta es una condición de circuito ABIERTO.

Si solo hay un cable o un destornillador de metal en los terminales de la batería, entonces la resistencia al flujo de corriente eléctrica es esencialmente cero, o al menos muy, muy pequeña. Por lo tanto, una corriente eléctrica extremadamente grande fluirá fuera de la batería entre sus terminales, esencialmente a través de una conexión de resistencia cero. Esto se llama condición de CORTOCIRCUITO, y ES MUY, MUY PELIGROSO. Una batería de arranque de motor automotriz típica con la capacidad de entregar 650 amperios de arranque en frío, puede muy bien tener la capacidad de entregar más de 2000 amperios en una conexión de cortocircuito. Esa cantidad de corriente eléctrica genera una tremenda cantidad de calor. En el caso de una batería de plomo ácido, también existe un riesgo extremo de explosión e incendio. Los científicos e ingenieros forenses, algunos de los cuales tienen sentido del humor, prefieren usar el término "desmontaje rápido". Para ser justos con los fabricantes de baterías, existen muchos estilos de construcción de baterías de plomo ácido que minimizarán o incluso eliminarán el riesgo de explosión durante un cortocircuito. Aún así, en general, suceden cosas malas cuando una batería se cortocircuita.

¿Qué es exactamente en una batería?

La batería debe tener una carcasa con aislamiento eléctrico y resistencia mecánica suficiente para soportar el peso de sus componentes. Todas las baterías están compuestas por celdas individuales. Una celda podría considerarse la unidad más pequeña de una batería que es capaz de generar un voltaje y realizar las funciones de una batería por sí sola. Se pueden juntar muchas combinaciones de compuestos químicos para crear una celda de batería que genere carga eléctrica. Una vez que se genera la carga eléctrica, debe tener un camino conductor para escapar al mundo exterior. Esos caminos conductores son proporcionados por las rejillas y los electrodos. En el sentido más estricto de la palabra, las rejillas son en realidad parte de los electrodos, porque un proceso de soldadura eléctricamente conductor los une mecánicamente.

Las celdas individuales de la batería están compuestas de placas y aislantes. Las placas están compuestas por la rejilla conductora y el material activo. Hay dos polaridades de placa, ambas positivas y negativas. Un par de placas de polaridad opuesta se intercala alrededor de algún tipo de aislante, llamado separador. La composición del separador varía. Para la batería AGM, este separador es algún tipo de material de vidrio mate de polifibra, de ahí las letras GM. Esta combinación se llama pareja. Dependiendo de la clasificación de amperios-hora de la celda, las placas serán físicamente más grandes para entregar más amperios-hora o se podría colocar un mayor número de placas más pequeñas en una celda para tener el mismo efecto.

La última pieza del rompecabezas es el electrolito. Esta es una fuente de electrones libres; En realidad, los electrones cautivos dentro del electrolito están esperando ser liberados como resultado de una reacción química. En la batería estilo AGM, la mayor parte del electrolito se absorbe en el material del separador, de ahí la letra A. Por lo tanto, AGM significa Absorbed Glass Matte.

¿Qué hay en una batería de plomo ácido?

Como estamos más interesados en las baterías de plomo-ácido, hablemos de eso. En una batería de plomo ácido, los electrodos y las rejillas están hechos de plomo. Por lo general, hay algún otro aditivo mezclado con el plomo, como el calcio para darle resistencia mecánica. La polaridad de la placa está determinada por el material activo que se coloca en contacto físico con la rejilla. El material activo es alguna formulación de óxidos de plomo. Cada fabricante de baterías tiene su propia formulación patentada, generalmente optimizada para una característica de rendimiento u otra. El electrolito es el ácido sulfúrico. De ahí el nombre de "plomo-ácido".

La química básica de la batería de plomo y ácido ha sido el caballo de batalla de las industrias de vehículos de tracción y arranque de motores automotrices durante mucho, mucho tiempo. Cuando se usa en aplicaciones de arranque del motor, las baterías se denominan con el acrónimo SLI, que significa Encendido e Encendido. Incluso con todos los nuevos desarrollos exóticos en tecnología de baterías en la última década, el ácido de plomo todavía ofrece una de las alternativas más económicas para muchas aplicaciones.

¿Qué puede hacer una batería?

Una batería puede hacer una o más de tres cosas.

Primero, y más común en la mente del público en general, es encender un motor. Aquí, la batería entrega una breve ráfaga de corriente eléctrica de alta amplitud para energizar el motor de arranque que hace girar el cigüeñal en un motor de combustión interna. En general, este tipo de baterías se denominan SLI, que significa Encender e Encender.

En segundo lugar, la batería puede permanecer durante meses o años en modo de espera esperando para proporcionar energía de respaldo cuando hay un corte de energía de la compañía de servicios públicos. Cuando la batería suministra su energía como respaldo, puede descargarse completamente o solo muy ligeramente. Luego se recarga cuando se vuelve a encender, y luego permanece inactivo durante largos períodos de tiempo. En realidad, esta aplicación es muy común, particularmente ahora con la explosión literal (que no debe confundirse con el desmontaje rápido) de nuevas aplicaciones dentro de la industria de las telecomunicaciones.

En tercer lugar, la batería puede ofrecer la mayor parte de su capacidad repetidamente, posiblemente a diario. Esto se llama una aplicación de ciclo profundo. Ejemplos típicos de este tipo de uso son los vehículos eléctricos: automóviles, autobuses, carritos de golf, bicicletas y scooters; aplicaciones industriales como carretillas elevadoras eléctricas (también un vehículo eléctrico); y aplicaciones marinas como el funcionamiento de motores de arrastre. Las aplicaciones de ciclo profundo donde la batería suministra energía eléctrica a equipos portátiles incluyen equipos médicos como máquinas de electrocardiograma y monitores respiratorios, pruebas electrónicas y equipos de recolección de datos utilizados en entornos industriales, equipos de telecomunicaciones y una amplia gama de otros tipos de equipos.

Las descargas repetitivas de ciclo profundo son, con toda probabilidad, la aplicación más extenuante para una batería. Muy a menudo, los requisitos de energía de recarga para este tipo de uso son extremos, particularmente a los ojos de aquellos que tienen que pagar por el equipo de carga de la batería. Una buena regla general para medir el precio que los consumidores tendrían que pagar por cargar equipos es que, en promedio, por equipos con control electrónico razonable, uno esperaría pagar alrededor de $ 1.00 por vatio. Para cargadores con controles electrónicos y dispositivos de visualización más sofisticados, el precio puede ser tan alto como $ 3.00 a $ 3.50 por vatio.

Las aplicaciones de vehículos eléctricos (EV) son las más extenuantes en la batería. En algunos aspectos, la aplicación EV es como una combinación de arranque del motor y ciclo profundo. El consumo actual de la batería podría ser muy alto, a varios cientos de amperios cuando el vehículo comienza a moverse desde un punto muerto, durante la aceleración y al subir colinas. Otras veces, el consumo de corriente puede ser constante a un valor mucho más bajo, posiblemente menos de 50 amperios cuando el vehículo está en reposo o viaja a una velocidad constante.

La mayoría de las baterías hacen 1 de estas 3 cosas muy bien, ya sea arranque del motor, espera o ciclo profundo. Ocasionalmente, una batería puede realizar bien 2 de estas funciones. Por lo general, el arranque del motor y el modo de espera son las aplicaciones que pueden manejarse con un solo estilo de batería. Aunque ha habido mucha investigación y desarrollo en los últimos 10 años para optimizar el rendimiento de la batería para aplicaciones EV, es muy raro que cualquier estilo de batería pueda hacer las 3 cosas igualmente bien.

¿Cuáles son los diferentes tipos de baterías de plomo ácido?

(Estas explicaciones son algo simplificadas.)

Inundado: Esta es la batería tradicional de arranque de motor y estilo de tracción. El electrolito líquido puede moverse libremente en el compartimento de la celda. El usuario tiene acceso a las celdas individuales y puede agregar agua destilada a medida que la batería se agota.

Sellado: Este término puede referirse a una serie de construcciones diferentes, que incluyen solo una ligera modificación del estilo Inundado. En ese caso, aunque el usuario no tiene acceso a los compartimentos de la celda, la estructura interna sigue siendo básicamente la misma que una batería inundada. La única diferencia es que el fabricante se ha asegurado de que la batería contenga una cantidad suficiente de ácido para mantener la reacción química en condiciones normales de uso durante el período de garantía de la batería. Otros tipos de baterías de plomo ácido también están selladas, como se explica a continuación.

VRLA: Esto significa batería de plomo ácido regulada por válvula. Esta también es una batería sellada. El mecanismo de regulación de la válvula permite un escape seguro de gases de hidrógeno y oxígeno durante la carga.

AGM: As stated earlier, the Absorbed Glass Matte construction allows the electrolyte to be suspended in close proximity with the plate’s active material. In theory, this enhances both the discharge and recharge efficiency. Actually, the AGM batteries are a variant of Sealed VRLA batteries. This particular style has recently become very popular in many engine start and power sports applications.

Note: It is not uncommon for the marketing folk of the industry to exercise a bit of literary license in the description of various Lead Acid batteries performance characteristics. The creative marketer, although meaning well while sculpting a recognizable niche in the all-too-often drab and unappealing market landscape will occasionally coin a phrase that not only catches on but also generates a bit of confusion. One such phrase is “Dry Cell Batteries”. That description is an extension of the performance characteristics of a very high quality AGM battery line, intended to emphasize the minimal amount of free acid (virtually none) that will leak in the event that the battery wall is ruptured. The unfortunate confusion results from conflicts with the required warning verbiage dictated by Underwriter’s Laboratory standard UL-1236 for battery chargers used in engine start applications. That wording, from subparagraph 47.4.11 h) is: “... Do not use battery charger for charging dry-cell batteries that are commonly used with home appliances...” What is not obvious to the average end user is that the intent of the UL-1236 warning, written in June, 1994 is to avoid attempting to recharge primary, non-rechargeable cells, like D, C, AA, alkaline cells that are used in things like flashlights, cameras, etc. There are rechargeable battery types available in those sizes, for those same household appliance applications, but for the most part, the chemistry of the cell is not lead-acid. The technical staff at Deltran has had numerous inquiries about the compatibility of Battery Tender battery chargers with “Dry Cell Batteries”. Once the battery brand name is identified to be the sealed, AGM, lead acid type, then there is no concern over compatibility with Deltran chargers.

GEL: The gel cell is similar to the AGM style because the electrolyte is suspended, but different because technically the AGM battery is still considered to be a wet cell. The electrolyte in a GEL cell has a silica additive that causes it to set up or stiffen, first like Jell-O, then after subsequent discharge/charge cycles more like peanut brittle. Micro cracks form in the gelled electrolyte that provide paths for the oxygen recombination reactions between the positive and negative plates. The recharge voltages on this type of cell are lower than the other styles of lead acid battery. This is probably the most sensitive cell in terms of adverse reactions to over-voltage charging.

Note: It is very common for individuals to use the term “GEL Cell” when referring to sealed, maintenance free batteries, much like one would use “Kleenex” when referring to facial tissue or "Xerox machine" when referring to a copy machine. Be very careful when specifying a charger. More often than not, what someone thinks to be a Gel Cell is really a sealed, maintenance free, GRT, probably AGM style battery.

Maintenance Free: This term is very generic and refers to basically all of the battery types except flooded batteries that have accessible individual cells so that the end user can add water. Since any sealed construction prevents the user from adding water to the individual cells, then by default it becomes maintenance free.

Lead Acid Battery Type Summary

The following table summarizes typical applications and charge voltage ranges for different styles of Lead Acid Batteries. These are just very general guidelines. Again, it is very important to check with the battery manufacturer to verify what specific charging requirements they recommend for your application.

Lead Acid Battery Type Summary

Type:SLIDCSPTypical Absorption Voltage Range:Typical Float Voltage Range:
Type:FloodedSLIXDCXSPxTypical Absorption Voltage Range:14.2V to 14.5VTypical Float Voltage Range:13.2V to 13.5V
Type:SealedSLIXDCXSPxTypical Absorption Voltage Range:14.2V to 14.5VTypical Float Voltage Range:13.2V to 13.5V
Type:VRLASLIxDCxSPXTypical Absorption Voltage Range:14.2V to 14.5VTypical Float Voltage Range:13.2V to 13.5V
Type:AGM$SLIxDCXSPXTypical Absorption Voltage Range:14.4V to 15.0VTypical Float Voltage Range:13.2V to 13.8V
Type:GELSLI DCxSPXTypical Absorption Voltage Range:14.0V to 14.2VTypical Float Voltage Range:13.2V to 13.4V

SLI = Starting, Lighting, Ignition; DC = Deep Cycle, SP = Standby Power

Capital X = much use, Small Case x = some use.

*Besides those listed, all battery types can be used in all applications. More AGM batteries are now being used in SLI applications, particularly in motorcycles and sports watercraft, while flooded and sealed lead acid batteries are still most commonly used, particularly for automotive SLI.

$ Notice the wide range of absorption and float voltages for the AGM battery.

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