Batería de ácido sólido

La batería de plomo-ácido  es un tipo de batería que se ha generalizado debido a su costo moderado, buen recurso (a partir de 500 ciclos o más) y alta densidad de potencia. Aplicaciones principales: baterías de arranque en vehículos, fuentes de energía de emergencia, fuentes de energía de reserva. Estrictamente hablando, una celda de batería se llama batería , pero coloquialmente, una batería se llama batería (sin importar cuántas celdas tenga).

Una batería recargable que consta de baterías de plomo-ácido también se abrevia como batería (batería de ácido) [2] .

Clasificación

AGM (del inglés  absorbente glass mat ) - una batería en la que se instalan esteras de fibra de vidrio que absorben electrolitos entre las placas como separadores. Estos separadores no solo evitan que las placas se acorten si se rompen, sino que el diseño esponjoso de los separadores mantiene el electrolito en ellos por acción capilar y el electrolito no se escapa de la batería bajo ninguna circunstancia. Dichos separadores de esponja, al retener el electrolito, evitan su estratificación (estratificación), lo que prolonga la vida útil de la batería. El ciclo de recombinación de oxígeno también funciona en las baterías AGM, lo que tiene ventajas y desventajas. Debido a la recombinación del oxígeno en las baterías AGM, el consumo de agua es menor que en las baterías simples [2] .

EFB (del inglés  Enhanced Flooded Battery , batería a granel mejorada): una batería con electrolito líquido que salpica libremente, placas de mayor grosor en comparación con las baterías simples (las mismas placas que en AGM) y con un diseño de separadores más denso en comparación con las baterías simples. Entre otros, los EFB tienen separadores de fibra de vidrio (similares a los AGM). Las baterías EFB ocupan una posición intermedia entre las baterías simples y las baterías AGM [2] .

Historia

La batería de plomo fue inventada en 1859-1860 por Gaston Plante , empleado del laboratorio de Alexandre Becquerel [3] . En 1878, Camille Faure mejoró su diseño al proponer cubrir las placas de la batería con plomo rojo . El inventor ruso Benardos aplicó un revestimiento de plomo esponjoso para aumentar la potencia de las baterías que utilizaba en sus trabajos de soldadura .

Cómo funciona

El principio de funcionamiento de las baterías de plomo-ácido se basa en las reacciones electroquímicas del plomo y el dióxido de plomo en una solución acuosa de ácido sulfúrico .

Cuando se conecta una batería de carga externa a los electrodos, se inicia una reacción electroquímica de interacción entre el óxido de plomo y el ácido sulfúrico, mientras que el plomo metálico se oxida a sulfato de plomo (en la versión clásica de la batería). Los estudios llevados a cabo en la URSS mostraron que al menos ~ 60 reacciones diferentes ocurren cuando la batería está descargada, aproximadamente 20 de las cuales ocurren sin la participación de ácido electrolítico [4] .

Durante la descarga, el dióxido de plomo se reduce en el cátodo [4] [5] y el plomo se oxida en el ánodo . Las reacciones inversas ocurren durante la carga. Cuando se recarga la batería, después de que se agota el sulfato de plomo, comienza la electrólisis del agua, mientras que se libera oxígeno en el ánodo (electrodo positivo) e hidrógeno en el cátodo .

Reacciones electroquímicas (de izquierda a derecha - al descargar, de derecha a izquierda - al cargar):

• Reacciones en el cátodo (descarga):

• Reacciones en el ánodo (descarga):

Con un circuito externo abierto, se acumulan electrones libres en el ánodo, que atraen iones del electrolito . En una capa delgada cerca del ánodo se forma un campo eléctrico que impide el acceso de iones al electrodo. A medida que se acumula la carga negativa, crece la diferencia de potencial en una capa tan delgada, se ralentiza el acceso de iones negativos al ánodo, se establece el equilibrio y la carga deja de acumularse en el ánodo. Una situación similar ocurre en el cátodo: la carga positiva del cátodo atrae iones , empujando los iones a un lado , la reacción se ralentiza. Cuando el circuito externo está cerrado, los electrones del ánodo fluyen hacia el cátodo y neutralizan la carga positiva en él, lo que contribuye a la reanudación de las reacciones químicas en los electrodos.

Cuando la batería se descarga del electrolito, se consume ácido sulfúrico y se libera agua relativamente más ligera, la densidad del electrolito disminuye. Al cargar, ocurre el proceso inverso. Al final de la carga, cuando la cantidad de sulfato de plomo en los electrodos cae por debajo de cierto valor crítico, el proceso de electrólisis del agua comienza a dominar. El hidrógeno gaseoso y el oxígeno se liberan del electrolito en forma de burbujas, la llamada "ebullición" durante la sobrecarga. Este es un fenómeno indeseable, a la hora de cargarlo se debe evitar en lo posible, ya que en este caso se consume agua de forma irreversible, aumenta la densidad del electrolito y existe riesgo de explosión de los gases resultantes . Por lo tanto, la mayoría de los cargadores reducen la corriente de carga cuando aumenta el voltaje de la batería. Las pérdidas de agua se reponen agregando agua destilada a las baterías cuando se realiza el mantenimiento de la batería (algunas baterías de automóviles no tienen tapones para abrir/desatornillar) [6] .

Dispositivo

Un elemento de batería de plomo-ácido consiste en electrodos y placas porosas separadoras hechas de un material que no interactúa con el ácido, evitando que los electrodos (separadores) se cierren, los cuales están sumergidos en un electrolito . Los electrodos son rejillas planas de plomo metálico. Los polvos de dióxido de plomo ( ) se presionan en las celdas de estas rejillas, en las placas de ánodo y plomo metálico, en las placas de cátodo (aquí, cuando la batería se está cargando, su electrodo positivo se considera el ánodo, porque cuando la batería está descargada , se convierte en el cátodo, - como el electrodo al que se dirige el movimiento de electrones durante el circuito externo). El uso de polvos aumenta la interfase electrolito-sólido, aumentando así la capacidad eléctrica de la batería.

Los electrodos, junto con los separadores, se sumergen en un electrolito, que es una solución acuosa de ácido sulfúrico . El agua destilada se usa para preparar una solución ácida .

La conductividad eléctrica del electrolito depende de la concentración de ácido sulfúrico y a temperatura ambiente es máxima a una fracción de masa de ácido del 35% [7] , lo que corresponde a una densidad del electrolito de 1,26 g/cm³. Cuanto mayor sea la conductividad del electrolito, menor será la resistencia interna de la batería y, en consecuencia, menor será la pérdida de energía en ella. Sin embargo, en la práctica, en áreas con clima frío, también se utilizan concentraciones más altas de ácido sulfúrico, hasta 1,29–1,31 g/cm³, esto se debe a que cuando la concentración disminuye debido a la descarga, el electrolito puede congelarse. , y cuando se congela, forma hielo que puede romper las celdas de la batería y dañar el material esponjoso de las placas.

Hay desarrollos experimentales de baterías, donde las rejillas de plomo se reemplazan con placas de filamentos de fibra de carbono entrelazados , cubiertos con una película delgada de plomo. En este caso, se utiliza una cantidad menor de plomo, distribuida en una gran área, lo que permite que la batería no solo sea compacta y liviana, en igualdad de condiciones, sino también mucho más eficiente: además de una mayor eficiencia, se carga mucho más rápido que las baterías tradicionales [8] .

En las baterías utilizadas en los SAI domésticos , sistemas de alarma, etc., el electrolito líquido se espesa con una solución alcalina acuosa de silicatos de sodio ( ) hasta obtener un estado pastoso. Estas son las llamadas baterías de gel (GEL), que tienen una larga vida útil. Otra versión es con separadores porosos de fibra de vidrio (AGM), que permiten modos de carga más severos [9] .

Parámetros eléctricos y de funcionamiento

• El consumo energético teórico límite específico es de unos 133 Wh / kg .
• Consumo específico de energía: 25-40 W·h / kg [10] .
• El EMF de una batería cargada es de 2,11-2,17 V , el voltaje de funcionamiento es de 2,1 V (3 o 6 baterías eventualmente dan el estándar de 6,3 V o 12,6 V en la batería, respectivamente) [4] .
• El voltaje de una batería totalmente descargada es de 1,75-1,8 V. No se pueden descargar por debajo de [4] .
• Temperatura de funcionamiento: -40 °C a +40 °C.
• La eficiencia es de aproximadamente 80-90% (según la corriente de carga-descarga). Eficiencia energética 70-80% [10] .

Aplicación

La mayoría de las veces, las baterías de plomo-ácido se usan como parte de una batería con un voltaje nominal de 4, 6 y 12 V , con menos frecuencia con un voltaje diferente, un múltiplo de 2 voltios . Casi nunca se utilizan elementos separados de dos voltios. La industria produce opciones para baterías con servicio (verter electrolito, agua destilada, monitorear la densidad del electrolito, reemplazarlo) y sin mantenimiento (en una caja sellada, se excluye el derrame de electrolito al inclinar y voltear). Las baterías reparables se pueden producir cargadas en seco (sin relleno de electrolito), lo que aumenta su vida útil y no requiere mantenimiento periódico durante el almacenamiento, el electrolito se llena antes de que la batería se ponga en funcionamiento.

• UPS de baterías de plomo ácido de 8V 3.5Ah

• Batería de plomo-ácido de 12 V con una capacidad de 7 Ah y sistema de alimentación ininterrumpida doméstico en el que se utiliza

• Una variante de una batería de plomo-ácido reparable para equipos de automóviles y tractores en una caja de ebonita , en tales baterías incluso era posible reemplazar una batería fallada por separado

• Opción de batería de plomo-ácido libre de mantenimiento para equipos de automóviles y tractores, sin acceso a los cuellos de llenado de las latas de la batería

• Baterías de ácido de plomo para vehículos eléctricos tZero

• Baterías submarinas de plomo-ácido

Características de rendimiento

• Capacidad nominal , muestra la cantidad de electricidad que puede dar esta batería. Suele indicarse en amperios-hora, y se mide al descargar con una corriente pequeña (1/20 de la capacidad nominal, expresada en Ah) [11] .
• Corriente de arranque (para baterías de coche ). Caracteriza la capacidad de entregar altas corrientes a bajas temperaturas. Mayormente medido a -18°C (0°F) durante 30 segundos. Las diferentes técnicas de medición difieren (principalmente en la tensión final admisible) y, por lo tanto, dan resultados diferentes [12] .
• Capacidad de reserva (para baterías de automóviles ): caracteriza el tiempo durante el cual la batería puede entregar una corriente de 25 A a un voltaje final de 10,5 V según GOST R 53165-2008 [13] .

Explotación

Durante el funcionamiento de baterías “revisadas” (con tapas que se abren en los bancos) en un automóvil, cuando se conduce por carreteras en mal estado, inevitablemente se produce una filtración de electrolito desde debajo de las tapas hacia la caja de la batería. A través de la película de electrolito eléctricamente conductora, que no se seca debido a la higroscopicidad , se produce una autodescarga gradual de la batería. Para evitar una autodescarga profunda, es necesario neutralizar periódicamente el electrolito limpiando la caja de la batería, por ejemplo, con una solución débil de bicarbonato de sodio o jabón para lavar diluido en agua hasta obtener la consistencia de una crema agria líquida. Además, especialmente en climas cálidos, el agua se evapora del electrolito; además, la cantidad de agua en el electrolito disminuye cuando la batería se recarga debido a su electrólisis. La pérdida de agua aumenta la densidad del electrolito, aumentando el voltaje en la batería. Con una pérdida significativa de agua, las placas pueden quedar expuestas, lo que simultáneamente aumenta la autodescarga y provoca la sulfatación de la batería. Por lo tanto, es necesario controlar el nivel de electrolito y, si es necesario, completar con agua destilada.

Estas medidas, junto con la verificación del vehículo en busca de fugas de corriente parásita en su equipo eléctrico y la recarga periódica de la batería, pueden extender significativamente la vida útil de la batería.

Funcionamiento de una batería de plomo-ácido a bajas temperaturas

A medida que desciende la temperatura ambiente, los parámetros de la batería se deterioran, sin embargo, a diferencia de otros tipos de baterías, esta disminución es relativamente pequeña para las baterías de plomo-ácido, lo que conduce a su uso generalizado en el transporte. Empíricamente, se cree que una batería de plomo-ácido pierde ~1 % de su capacidad de salida por cada grado de descenso de temperatura desde +20 °C. Es decir, a una temperatura de -30°C , una batería de plomo-ácido mostrará aproximadamente un 50% de capacidad.

La disminución de la capacitancia y la salida de corriente a bajas temperaturas se debe principalmente a una disminución en la velocidad de las reacciones químicas ( ley de Arrhenius ). La única forma de aumentar la capacidad de salida es calentar la batería fría, como opción, con un calentador incorporado (6ST-190TR-N).

Una batería descargada en clima frío puede hincharse debido a la congelación del electrolito de baja densidad (cerca de 1,10 g/cm 3 ) y la formación de cristales de hielo, lo que provoca daños irreversibles en las placas de plomo dentro de la batería.

Las bajas temperaturas del electrolito afectan negativamente el rendimiento y las características de carga y descarga de la batería [14] :

• a temperaturas de 0 °C a −10 °C , una disminución en las características de carga y descarga no afecta significativamente el rendimiento de la batería;
• a temperaturas de -10 °C a -20 °C , la corriente disminuye en el modo de arranque y la carga se deteriora;
• a temperaturas inferiores a -20 °C , las baterías no proporcionan un arranque fiable del motor y no pueden cargarse desde el generador.

Debido a la mayor resistencia interna inherente a las baterías modernas de tipo cerrado (las llamadas “libres de mantenimiento”, selladas, selladas) a bajas temperaturas en comparación con las baterías convencionales (de tipo abierto), estas cuestiones son aún más relevantes para ellas [15]. ] .

Para la operación de vehículos a muy bajas temperaturas se diseñan diseños de baterías con calentamiento eléctrico interno [16] .

Almacenamiento

Las baterías de plomo-ácido solo deben almacenarse cargadas. A temperaturas inferiores a -20 °C , las baterías deben recargarse con un voltaje constante de 2,45 voltios por celda una vez al año durante 48 horas. A temperatura ambiente: 1 vez en 8 meses con un voltaje constante de 2,35 voltios por celda durante 6-12 horas. No se recomienda el almacenamiento de baterías a más de 30 °C .

Una capa de suciedad, sales y una película de electrolito en la superficie de la caja de la batería crea un conductor de corriente entre los electrodos y conduce a la autodescarga de la batería, con una descarga profunda, la sulfatación de las placas comienza con la formación de un sulfato más denso, que luego reacciona con menos y más dificultad que el sulfato formado durante la descarga operativa normal, que es la razón de la pérdida de capacidad. Por lo tanto, la superficie de la batería debe mantenerse limpia. El almacenamiento de baterías de plomo-ácido en un estado descargado conduce a una rápida pérdida de su rendimiento.

Con el almacenamiento a largo plazo de las baterías y descargándolas con corrientes altas (en modo de arranque), o con una disminución de la capacidad de la batería, es necesario realizar ciclos de control y entrenamiento, es decir, descarga-carga con corrientes de un valor nominal. .

Al preparar la batería para el almacenamiento de invierno, que es importante para los vehículos que no se usan en la estación fría, los expertos del laboratorio más antiguo de NIIAE recomiendan las siguientes acciones:

1. Cargue la batería correctamente y por completo. 2. Aplicar grasa en el terminal positivo de la batería (solo se permite vaselina técnica, ya que tiene acidez neutra, y en ningún caso se debe utilizar litol, grasa, etc., ya que tienen una ligera acidez y con el tiempo dichos lubricantes corroer los terminales de salida de la batería), ya que la película de electrolito puede absorber la humedad de la atmósfera, lo que puede conducir a una mayor autodescarga. 3. Almacene las baterías en frío a una temperatura de 0-10 ° C, ya que la autodescarga es mucho menor a bajas temperaturas. El agua congelada daña las placas de la batería, así que no almacene las baterías a temperaturas inferiores a 0 °C.

Si necesita viajar en un clima frío, debe mover la batería a una habitación con calefacción, y dentro de 7 a 9 horas (por ejemplo, durante la noche) llegará a un estado adecuado para arrancar el motor.

Desgaste de las baterías de plomo-ácido

Cuando se utiliza ácido sulfúrico técnico y agua no destilada, se acelera la autodescarga, la sulfatación , la destrucción de placas y la disminución de la capacidad de la batería [17] .

Los principales procesos de desgaste de las baterías de plomo-ácido son:

• sulfatación de placas [4] , que consiste en la formación de grandes cristales de sulfato de plomo , lo que impide que se produzcan procesos reversibles de formación de corriente;
• corrosión de electrodos , es decir, procesos electroquímicos de oxidación y disolución del material del electrodo en el electrolito, lo que provoca el desprendimiento del material del electrodo;
• débil resistencia mecánica o mala adherencia de la masa activa a las rejillas de los electrodos, lo que conduce a la caída de la masa activa [4] [18] ;
• deslizamiento y desprendimiento de la masa activa de los electrodos positivos, asociado con aflojamiento, violación de la uniformidad [4] .

Aunque una batería que ha fallado debido a la destrucción física de las placas no se puede reparar en casa, en la literatura se han descrito soluciones químicas y otros métodos para “desulfatar” las placas. Un método de batería simple, pero plagado de fallas completas, implica el uso de una solución de sulfato de magnesio [4] . Se vierte una solución de sulfato de magnesio en las secciones, después de lo cual la batería se descarga y se carga varias veces. El sulfato de plomo y otros residuos de la reacción química caen al fondo de las latas, esto puede provocar un cortocircuito del elemento, por lo que es recomendable enjuagar las latas tratadas y llenarlas con un electrolito nuevo de densidad nominal. Esto le permite extender un poco la vida útil del dispositivo.

Reciclaje

El reciclaje de este tipo de batería juega un papel importante, ya que el plomo contenido en las baterías es un metal pesado tóxico y causa graves daños cuando se libera al medio ambiente. El plomo y sus sales deben reciclarse para que sean reutilizables.

El plomo procedente de pilas gastadas se utiliza para su fundición artesanal, por ejemplo, en la fabricación de pesos para aparejos de pesca , tiros de caza o pesos. La extracción artesanal de plomo de las baterías daña gravemente tanto el medio ambiente como la salud de las fundiciones, ya que el plomo y sus compuestos se transportan por toda la zona con vapores y humos [19] [18] .

Véase también

• Batería de coche
• Junta General de Accionistas
• Método de carga de la batería IUoU
• horquilla de carga

Notas

1. ↑ Kurzukov N. I., Yagnyatinsky V. M. Baterías recargables. Breve referencia // M .: OOO "Editorial de libros "Al volante"". - 2008. - 88 p., il. ISBN 978-5-9698-0236-0 . (pág. 15).
2. ↑ 1 2 3 RUVDS, 15/07, 2021 .
3. ↑ Bertrand Gille Historia de las técnicas. — Gallimard, coll. "La Pléyade", 1978, ISBN 978-2070108817 .
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Baterías de plomo. Explotación: Verdad y ficción. Archivado el 25 de octubre de 2011 en Wayback Machine .
5. ↑ N. Lamtev. Pilas caseras. Moscú: Editorial Estatal de Temas de Radio, 1936. . Consultado el 21 de octubre de 2011. Archivado desde el original el 5 de noviembre de 2014. (indefinido)
6. ↑ Cómo abrir la batería de un automóvil: hacer que la batería sea reparable  (ruso) , AkkumulyatorAvto.ru  (2 de agosto de 2017). Archivado desde el original el 12 de agosto de 2018. Consultado el 12 de agosto de 2018.
7. ↑ Conductividad eléctrica x soluciones acuosas de ácido sulfúrico y coeficiente de temperatura en . chemport.ru. Consultado el 1 de julio de 2018. Archivado desde el original el 1 de julio de 2018. (indefinido)
8. ↑ http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Archivado el 9 de enero de 2007 en Wayback Machine Los estadounidenses aligeraron y redujeron las baterías
9. ↑ Baterías para sistema de alimentación ininterrumpida. Artículos de la empresa "OOO New System" (enlace inaccesible) . aegmsk.ru. Consultado el 12 de agosto de 2018. Archivado desde el original el 12 de agosto de 2018. (indefinido) 
10. ↑ 1 2 Batería de ácido de plomo. El dispositivo y principio de funcionamiento de la batería. . www.eti.su Consultado el 1 de julio de 2018. Archivado desde el original el 1 de julio de 2018. (Ruso)
11. ↑ GOST 26881-86 Método para probar baterías de plomo . Fecha de acceso: 15 de octubre de 2011. Archivado desde el original el 6 de noviembre de 2014. (indefinido)
12. ↑ Una breve revisión analítica de los métodos existentes para estimar la capacidad de HIT y los dispositivos que implementan estos métodos (enlace inaccesible) . Consultado el 21 de octubre de 2011. Archivado desde el original el 4 de marzo de 2016. (indefinido) 
13. ↑ GOST R 53165-2008, 2009 .
14. ↑ Manual, 1983 , pág. 70.
15. ↑ Transporte ferroviario. - 2011. Núm. 12. - p.35. (enlace no disponible) . Fecha de acceso: 13 de diciembre de 2015. Archivado desde el original el 22 de diciembre de 2015. (indefinido) 
16. ↑ Manual, 1983 , pág. 21-23.
17. ↑ Baterías de plomo: verdad y ficción (según Alex_Soroka) . Transporte eléctrico . Consultado el 27 de octubre de 2021. Archivado desde el original el 27 de octubre de 2021. (Ruso)
18. ↑ 1 2 Kochurov, 2009 .
19. ↑ Envenenamiento por plomo | Portal Médico ProfMedik . profmedik.ru (22 de febrero de 2016). Consultado el 4 de febrero de 2017. Archivado desde el original el 5 de febrero de 2017. (Ruso)

Literatura

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• GOST 15596-82  : Fuentes de corriente química. Términos y definiciones // Ingeniería eléctrica. Términos y definiciones: Parte 2: Sat. estándares — M.  : Standardinform, 2005.
• GOST R 53165-2008  : Baterías de arranque de plomo-ácido para equipos automotrices. Especificación general: (IEC 60095-1:2006) = Baterías de arranque de almacenamiento de plomo-ácido para tractores de motor. Especificaciones generales. - M.  : Informe estándar, 2009.
• Kochurov, A. A. Sobre las contradicciones en la teoría del funcionamiento de una batería de plomo ácido  : [ arch. 3 de marzo de 2017 ] / A. A. Kochurov (candidato de ciencias técnicas, prof.); Instituto de Automóviles Militares de Ryazan // Actas de la 65.a Conferencia Científica y Técnica Internacional de la Asociación de Ingenieros Automotrices (AAI) "Prioridades para el desarrollo de la construcción de tractores automotrices domésticos y capacitación de personal científico y de ingeniería" del Simposio científico internacional "Tractor automotriz Edificio-2009": [ arq. 16 de octubre de 2016 ] / Sáb. preparación comité organizador del Intern. científico simposios "Autotractor edificio-2009" bajo el general. edición profe, doctor. tecnología Ciencias S. V. Bakhmutova. - M.  : MAMI, 2009. - Libro. 1.- S. 169-179. — 462 págs. - ISBN 978-5-94099-077-2 .
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Enlaces

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• Yavruyan, Kh. K. Sobre el modo racional de operación de las baterías de plomo ácido [Texto  : Resumen de la tesis presentada para el grado de candidato a ciencias técnicas]: resumen del autor. dis. … cand. tecnología Ciencias / Ministerio de Educación Superior. y promedio especialista. educación de la RSFSR. Gorki. politécnico en-t im. A. A. Zhdanova. - Gorki, 1960. - 9 p.
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• Carga de recuperación de baterías AGM automotrices después de una descarga profunda usando el ejemplo de Topla Stop&Go AG60  : [ arch. 24 de julio de 2021 ] // Blog de la empresa RUVDS.com. - 2021. - 23 de julio.
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• Descubre cómo funcionan las baterías de los coches  :   [ing.]  : video. — Ciencia, 2010.
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En catálogos bibliográficos	TIERRA : 4007096-7 J9U : 987007561154605171 LCCN : sh93003488 NKC : ph184913