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7 LA BATERIA.
La batería eléctrica consiste en una celda electrolítica que convierte la energía química en energía eléctrica, es de operación simple aunque de reacciones electroquímicas complejas.
Existen los elementos primarios y secundarios. Los primarios no se pueden recargar, los secundarios sí. Los elementos primarios trasforman la energía química en energía eléctrica hasta que las materias activas se convierten en exhaustas, los secundarios convierten la energía química en eléctrica en procesos que pueden ser reversibles.
La misión de una batería es proporcionar una diferencia de potencial entre sus bornes y producir un flujo de electrones (corriente eléctrica) debido a esa diferencia de potencial.
LAS BATERIAS SON COMPLEJOS MECANISMOS QUIMICOS.
7.1. Rendimiento Faradaico y energético.
Toda conversión energética viene acompañada de inevitables perdidas de energía y que indica su eficacia.
- Rendimiento Faradaico o amperios-hora.
El rendimiento Faradaico es la relación entre la carga extraida en Ah de la batería durante la descarga y la carga total en Ah requerida para restablecer el estado inicial de carga. Se define como el cociente el número de amperios-hora obtenidos durante la descarga y aunque depende de las condiciones de trabajo que se le imponen.
Un rendimiento Faradaico aceptable en una batería debería estar:
(Según norma IEEE1365)en 1/1.2 = 80%
Resumen de rendimientos en carga.
Zona I. Eficiente. 95%-97%. Toda la corriente se invierte en generación de materiales activos.
Zona II. Mixta . 50%-97%. Comienza el gaseo.
Zona III. Ineficiente . 50%-0%. No se crean materiales activos. Hidrólisis.
A los efectos de carga y descarga el rendimiento de la mayoría de las baterías de Plomo-Acido es aproximadamente del 80%.
- Rendimiento energético:
El rendimiento energético es la relación entre la energía extraída en Wh de la batería y la energía total requerida para restablecer el estado inicial de carga. Es siempre menor que el rendimiento Faradaico. 65%-70%. Se define como el producto del rendimiento Faradaico por el cociente entre la tensión media en descarga de 5 horas y la tensión media en la carga. En una batería de acido-plomo, el rendimiento en amperios-hora suele ser del 90% y la tensión media durante la descarga es de 1,9 Voltios y la de carga de 2,4 Voltios, se obtiene un rendimiento energético de 71,3%.
8 PROCESOS QUÍMICOS.
8.1. Batería cargada.
Cuando la batería está cargada la materia activa de la placa positiva está constituida de Dióxido de plomo, (PbO2). La materia activa de la placa negativa está constituida de Plomo Metálico en estado esponjoso, (Pb). El electrolito es una solución de ácido sulfúrico, (H2SO4), agua, (H2O) con una densidad de 1,280 Gr/C3 en baterías de tracción y 1,240 Gr/C3 en baterías de uso estacionario.
8.2. Cuando se descarga.
En el proceso de descarga suceden al mismo tiempo las siguientes reacciones químicas:
Acido: El ácido sulfúrico se disocia en el catión hidrógeno y en el anión sulfato.
Placa positiva: El catión de plomo se combina con el anión sulfato y se transforma en sulfato de plomo que queda en la placa liberando oxigeno.
Placa negativa: El plomo se combina con el anión sulfato originando sulfato de plomo y liberando hidrógeno.
El hidrógeno liberado en la placa negativa reacciona con el oxigeno liberado de la placa positiva formando agua. De esta forma, en el acumulador descargado la materia activa de las placas es en gran medida sulfato de plomo y el electrolito agua. La tensión cae hasta niveles de cómo máximo 1.7Vpc (Vpc = Voltios por celda).
8.3. Cuando se carga.
En el proceso de carga la corriente que el acumulador recibe del cargador provoca la reacción inversa a la de descarga. El anión sulfato forma nuevamente el ácido sulfúrico aumentando la densidad del electrolito, en este proceso de cargas la tensión aumenta hasta cierto valor, 2.4Vpc y se produce una electrolisis del agua desprendiéndose burbujas de oxigeno en el electrodo positivo e hidrogeno el electrodo negativo. Esta pérdida de agua en el electrolito debe de reponerse ajustándose a la densidad adecuada.
8.4. En términos eléctricos.
En términos eléctricos el material en el cátodo (polo negativo) se oxida y se liberan electrones por lo que adquiere carga positiva ( reacción catódica). Al mismo tiempo el material en el ánodo (polo positivo), se reduce (en química es lo contrario de oxidarse) y el electrodo gana electrones, quedando sus átomos cargados negativamente. Esto hace que cuando ponemos un circuito exterior, los electrones “sobrantes” en el electrodo negativo circulas por el cable atraídos por la carencia de electrones del electrodo positivo, (diferencia de potencial) y son aprovechados en forma de corriente eléctrica por el circuito externo.
Las semi-reacciones para el potencial eléctrico son:
- En el electrodo positivo (cátodo) tenemos:
- E1 o = 1.68V
PbO2 (S) + SO4 2-(aq)+ 4 H + + 2e- = PbSO4(s) + 2 H2O (I).
- En el electrodo negativo (ánodo) tenemos:
- E2o = 0.36 V
Pb(s) + SO42-(aq) = PbSO4(s) + 2e-
El potencial total será la suma de los dos potenciales de las semi-reacciones.:
Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4 (aq) = 2 PbSO4(s) + 2 H2O(I)
Eo COMPLETO = E1o + E2O = 2.04 V
8.5. Cadena de reacciones (Plomo-Ácido líquido).
- Descarga:
Material activo convertido a Sulfato de plomo.
PbO2(s) + Pb(s) + 2H2SO4 = PbSO4
- Carga:
Sulfato de plomo convertido a Material activo.
PbSO4 = PbO2 (s) + Pb (s) + 2H2SO4
Durante la descarga: Sulfato de plomo = (blanco)
Durante la carga: Sulfato de plomo = Material activo.
Calor: Sulfato = Resistencia = Calor
Agua: El consumo aumenta con el calor.
En una batería de Plomo-Ácido, el sulfato es un sistema cerrado el cual debe estar ya sea en las placas o en el ácido.
8.7 Otros aspectos químicos.
La liberación de hidrógeno provoca la lenta oxidación del electrodo positivo, ayudando a que se desmoronen mecánicamente partes del mismo, alteraciones irreversibles que acortarían la duración de la batería.
Los procesos químicos, sin una regeneración, no se pueden repetir indefinidamente debido a la cristalización del sulfato (sulfatación), impidiendo la respuesta a los procesos químicos indicados, con lo que se pierden las características esenciales de reversibilidad.
8.8 Gasificación.
La Gasificación es un fenómeno que ocurre en el proceso de carga al alcanzar 2.4 Vpc y cuando la materia activa ya es escasa. La energía que aporta la corriente eléctrica se emplea en romper las moléculas de agua liberando oxigeno en las placas positivas e hidrógeno en las negativas, como resultado de este proceso se forman hidrogeno y oxigeno dando lugar a oxihidrógeno de alta volatilidad y produciendo un burbujeo en el electrolito. Esto supone una pérdida de agua y provoca la corrosión , por oxidación, del ánodo (polo positivo) con la correspondiente perdida de materia activa.
Durante este fenómeno hay que tener en cuenta que el volumen del electrolito aumenta debido a la cantidad de burbuja que se forman, pudiendo producir derrames o reboses.
Algo (no en exceso) de gasificación es útil, pues contribuye a homogeneizar las solución electrolítica evitando la estratificación en capas con distintas densidades, pero, sobre todo a bajos niveles de electrolito en las celdas, el oxigeno, que es un oxidante, ataca los sostenes de las placas, lo que puede ocasionar el derrumbe de la celda. Este fenómeno, conocido como la “muerte súbita” de la batería, ocurre sin dar aviso previo.
8.9. Gasificación por exceso de carga.
Cuando la gasificación es demasiado fuerte puede ser expelidas las sustancias expansoras añadidas a la maza de la materia activa de las placas, con lo que el plomo se sinteriza y las placas pierden capacidad. Con fuerte gasificación , se forma además en las placas negativas ácido de tan alta densidad, 1.300 Gr/cc3, que el plomo puro no formado se transforma otra vez en sulfato de plomo. A causa de la producción de calor, las placas no se cargan lo suficiente, (a pesar de la sobrecarga), y se sulfatan.
El oxigeno es un elemento oxidante, y el hidrógeno, en ciertas proporciones, forma con el aire una mezcla altamente explosiva.
8.10 Influencia de la temperatura en las reacciones químicas.
Al bajar la temperatura del electrolito la actividad química disminuye y, consecuentemente, el número de cargas libres (electrones) se reduce. En términos eléctricos esta menor actividad química se manifiesta en un aumento de la resistencia interna.
Cuando la temperatura ambiente se eleva, la acción química se acelera. Mayor actividad química se traduce en menor vida del acumulador ya que se acelera el desgaste de la superficie activa de los electrodos.
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