Baterías.

Definiciones:

Dispositivo electroquímico el cual almacena energía en formaquímica, pudiendo obtenerse de ella energía en forma eléctrica.

Conversión IRREVERSIBLE de:

Energía Química ==► Energía Eléctrica Baterías 1arias o pilas

Conversión REVERSIBLE de:

Energía Química◄==► Energía Eléctrica Baterías 2arias

Descripción Física

Unidad básica de construcción: celda electroquímica

Las baterías se comercializan en dos formas posibles: CeldaMonobloque

Monobloque: conjunto de celdas elementales en serie y paralelode forma de lograr tensión y energía deseada. Todas las celdasbásicas comparten el electrolito y el recipiente. Ejemplo: bateríaautomotriz.

Placa negativa: ánodo.

Placa positiva: cátodo.

Medio: electrolito.

Principio de Funcionamiento.

1. Descarga.

Química ===> Eléctrica.

Para iniciar el proceso de descarga se debe cerrar el circuito pormedio de una carga eléctrica.Durante este proceso la celda o batería se comporta como unafuente de tensión de valor aproximadamente constante que“impulsa” las cargas eléctricas a través del circuito eléctrico.

El material del ánodo reacciona con el electrolito liberandoelectrones formando un material D. Proceso de oxidación.

El material del cátodo reacciona con el electrolito ganandoelectrones, formando un material C. Proceso de reducción.

Ánodo: bB – ne -----> dDCátodo : aA+ne ------> cC

2. Carga

Eléctrica ==> Química

Para iniciar el proceso de carga se debe conectar en bornes de lacelda o batería una fuente de corriente.

El material C reacciona liberando electrones y formando elmaterial A constituyente del Cátodo.

El material D reacciona ganando electrones y formando elmaterial B constituyente del Ánodo.

cC – ne -----> aAdD+ne ------> bB

Observaciones:

En todo el proceso aparece una “impulsión” de la carga eléctricacuya manifestación exterior es una fem (tensión) entre el ánodo yel cátodo que es una medida de cuanta energía se le suministra acada coulomb de carga que pasa por la celda.

Fem = f(materiales placas y electrolito)

Como elemento de segundo orden la fem también depende de latemperatura.

Ejemplos:

Celdas Pb – Ácido: fem de celda ≈ 2.2 V

Celdas Ni – Cd: fem de celda ≈ 1.2 V

Características Físicas relevantes:

• El material de las placas y el electrolito determinan el valorde la FEM.

• La superficie de contacto (material activo) con el electrolitodeterminan la capacidad de almacenar energía de la celda.

• La densidad del electrolito influencia en la velocidad dereacción (altas corrientes ==> altas densidades)

• La temperatura a la que se somete una celda o batería ejerceuna importante influencia en la tensión de la fem y por tantoen la vida útil de la misma.

Medida de la Capacidad de una celda para almacenar energía.

Es conocido que: Energía Eléctrica = V. I. T (VAh)

Dado un tipo particular de celda la tensión esta impuesta.

Entonces: la unidad de medida para la energía almacenada (C) enuna celda electroquímica es el Ah.

Modelo eléctrico de Batería.

En términos ideales las baterías deberían mantener el voltajeconstante durante todo el proceso de descarga y caer abruptamenteal finalizar el mismo.Esto no es así y en realidad la tensión varia durante el proceso dedescarga.Entonces: E = f(estado de carga, temperatura, ciclos descarga)

Para modelar tales efectos se introduce el concepto de resistenciainterna:

Baterías PB-Ácido.

Cátodo (+): Dióxido de PbÁnodo (-): Plomo metálicoElectrolito: Ácido sulfúrico con cierta densidad.

Proceso de descarga:

La reacción produce H2O cayendo por lo tanto la densidad delElectrolito.

Proceso de carga:

La reacción absorbe H2O y libera hidrógeno.

Consecuencias:

1) Bancos de baterías generan hidrógeno: Peligro de explosión.Se deben instalar en un lugar con adecuada ventilación.

2) La medida de la densidad del electrolito da idea del estado decarga de la batería.Esta medida se puede hacer solo en baterías abiertas.

Batería Cargada Batería Descargada

3) En baterías abiertas el balance de H2O es negativo debiendocontrolarse el nivel de agua y eventualmente reponer el faltante.

4) La temperatura del electrolito es critica para la reacción.Se debe acondicionar térmicamente el lugar de instalación.

5) La medida de tensión da una idea del estado de carga de unabatería.En este tipo de batería la tensión por celda varía entre:

E = 2.2 V para batería a plena carga.

E = 1.75 – 1.8 V para batería totalmente descargada.

6) A efectos de no acortar la vida útil de la batería no esconveniente llegar a descargas muy profundas (valor límitetípico: 80% de su capacidad)Lo ideal para preservar la batería es no llegar a este límite.

Efecto de la corriente de descarga en el parámetro C (Ah)

La capacidad real C en Ah de una batería depende de la corriente aque se descargue la misma.La capacidad (C) expresada en Ah dada por un fabricante debaterías se refiere a la capacidad “optima” de la batería.

Ejemplo: Dada una batería de 70 Ah el fabricante indica que estevalor es para un régimen de descarga de 10 hs, esto es: la bateriapuede entregar 70/10 A durante 10 hs.

¿Puede entregar la batería 70A durante 1 h?

Respuesta: NO!!!

Existe un margen muy pequeños de valores de corrientes dedescarga para los cuales es posible entregar el total de lacapacidad C. Este valor (C) disminuye al subir la corriente dedescarga.

En el ejemplo si la batería es descargada a una corriente mayor a7 A la capacidad real de la batería disminuye.

Consecuencia: la capacidad de las baterías se especifica mediantedos valores:

1) El valor de C en Ah2) El numero de horas para descargar la batería y

obtener la energía C.

Notación: Cn ===> Ides = C/n A.

Para corrientes de descarga mayores a Ides la capacidad C baja;seria necesario conocer gráficos de curvas de descarga de labatería obtenidos de ensayos.

Curvas de tensión en función del tiempo para distintos régimenesde descarga:

Autodescarga.

Proceso mediante el cual las baterías pierden carga en formapermanente estando sus bornes en circuito abierto.Si una batería es sometida a un largo periodo de autodescargapuede perder capacidad en forma irreversible debido a lasulfatación de sus placas.

Consecuencia: las baterías nunca se almacenan “formadas”; elelectrolito se almacena aparte.

Normativa sobre Baterías Pb - Ácido.

Acorde a la aplicación que se le de a las baterías Pb – Ácido sepuede decir que la normativa internacional establece unclasificación.Solo a modo de ejemplo: algunas Normas:

IEC 61056 Baterías de acumuladores de Pb – Ácido para uso general.

IEC 610896 Baterías Pb – Ácido estacionarias.

IEC 60254 Baterías Pb – Ácido para tracción.

IEC 95 Baterías Pb – Ácido para arranque.

Estas normas regulan las características funcionales y requisitosgenerales que deben cumplir las baterías a utilizar en cada una delas aplicaciones en cuestión.

Estas normas establecen, en algunos casos, diferencias funcionalesentre baterías abiertas y baterías reguladas por válvulas.

Baterías para uso general:

• Aplicaciones de carga cíclicas tales como en equiposportátiles y alumbrado de emergencia.

• Capacidad para un régimen de carga de 20 hs.

Baterías para arranque.

• Aplicaciones de arranques de vehículos, se demanda altacorriente durante un periodo de tiempo corto.

• Parámetro importante corriente de arranque en frío: corrientede descarga indicada por el fabricante que la batería puedesuministrar a –18ºC por 60 seg. a un voltaje no inferior a 8.4V.

• Capacidad para un régimen de carga de 20 hs.

Baterías para tracción.

• Aplicaciones en tracción de vehículos y maquinaria.• Capacidad para un régimen de carga de 5 hs.• Se puede indicar como complemento a lo anterior un régimen

de descarga de 0.5 hs para aplicaciones que lo requieran (sellega a 1.5 V por celda)

Baterías estacionarias.

• Aplicaciones en carga flotante en instalaciones fijas einstaladas en equipos estacionarios o en salas de bateríaspara equipos de telecomunicación, UPS, etc.

• La Capacidad se da puede dar para alguno de los siguientesregímenes: 240 h, 20 h, 10 h, 5 h, 2 h. 1 h, 0.5 h. Para estosregimenes de descarga la tensión final será 1.8 V.Los fabricantes pueden especificar otro régimen de descarga.

Carga de una batería.

Batería en régimen Flotante:

Batería cuyos bornes están permanentemente conectados a unafuente de energía que proporciona una tensión constante ysuficiente como para mantener la batería casi completamentecargada, de manera que pueda alimentar un circuito en caso que lafuente principal de energía falle.

Para las baterías estacionarias que trabajan en un régimen fondo -flote la norma establece ciertas condiciones que deben cumplir encuanto a perdida de densidad de electrolito, capacidad y tensión decelda.

Bancos de Baterías.

Usualmente las aplicaciones requieren de tensiones mayores a lasde una batería monobloque; para lograr esto se forman bancos debaterías mediante la conexión serie de un determinado número deelementos de forma tal de lograr la tensión deseada.

Conexión paralelo de bancos: no se recomienda.