TIPOS DE BATERIASExisten varios, pero el que ofrece el mejor balance entre costo y performance es la batera de Plomo-cido y, en particular, la que tiene electrolito lquido. Este tipo, con ms de 140 aos de existencia, ha evolucionado y contina evolucionando tecnolgicamente. Hoy da ya no es posible hablar de la batera de Plomo-cido como si fuere un componente genrico que puede ser usado en distintas aplicaciones, ya que cada tipo representa un producto hecho para satisfacer un tipo especfico de carga. Bateras diseadas para ser usadas en automotores, o para suplir energa elctrica durante perodos de interrupcin del servicio elctrico (stand-by power, en ingls). Conceptos bsicos El mecanismo que permite la utilizacin de una batera recargable como una fuente porttil de energa elctrica consiste en una doble conversin de energa, llevada a cabo mediante el uso de un proceso electro-qumico reversible. La primera conversin, energa elctrica en energa qumica, toma lugar durante el proceso de carga. La segunda, energa qumica en elctrica, ocurre cuando la batera se conecta a la carga. Nota: Como en toda conversin de energa, los procesos de carga y descarga de una batera vienen acompaados de inevitables prdidas de energa. Celda El conjunto integrado por los electrodos y el electrolito constituyen una celda de acumulacin. El voltaje de salida para esta celda depende, principalmente, de: Los materiales usados para el electrolito y los electrodos. El estado de carga de la celda. Batera plomo-cido Abreviar algo este nombre, usando el smbolo qumico para el plomo (Pb), de manera que en adelante har referencia a las bateras de Pb-cido, las que se ofrecen en dos versiones: Con electrolito lquido (bateras abiertas). Con electrolito gelatinoso (bateras hermticas). Como el costo de la segunda versin es el doble de la primera, la batera de Pb-cido con electrolito lquido es la ms usada.

Batera abierta El electrolito de estas bateras consiste en una solucin con 64% de cido sulfrico (H2SO4) de alto grado de pureza y 36% de agua destilada (H2O). El agua disocia (rompe) las molculas del cido creando iones de sulfuro (SO4)2 y de hidrgeno (H)+ El proceso de electrlisis del agua durante la carga genera iones de hidrgeno (H)+ y oxgeno (O)2. Ambos electrodos estn hechos de plomo, pero al terminarse el proceso de fabricacin (carga de la batera) el electrodo positivo se cubre con un depsito de dixido de plomo (PbO2).

Batera Pb-cido Las Figuras siguientes muestran, respectivamente, una celda de Pb-cido cargada y descargada.

Batera Cargada

Batera Descargada

Descarga El electrolito de una batera de Pb-cido interviene en forma activa en el proceso electroqumico. Durante la descarga, el electrodo de plomo (Pb)2+ reacciona con el in sulfato (SO4)2, creando un depsito de sulfato de plomo PbSO4. Esta reaccin qumica se lleva a cabo con la cesin de dos iones positivos, lo que d al electrodo su polaridad negativa (ctodo). Los iones de (SO4)2reaccionan con el dixido de plomo (PbO2) del otro electrodo, formando sulfato de plomo (PbSO4). Esta reaccin qumica se lleva a cabo con la cesin de dos electrones, lo que da a este electrodo su polaridad positiva (nodo). Los iones de hidrgeno del agua se combinan con el de oxgeno del PbO2, formando nuevas molculas de agua (H2O). Como en el caso de los semiconductores, se puede observar la creacin de cargas libres de polaridad opuestas, las que posibilitan sostener una corriente de externa.

Carga Al revertirse el proceso, el electrolito pierde agua y ambos electrodos vuelven a tener su composicin qumica original. Nota: El cambio porcentual de la cantidad de agua en solucin fuerza un cambio de densidad en el electrolito. Cuando la batera est cargada, la densidad aumenta, y cuando est descargada, disminuye. Estas variaciones de densidad permiten evaluar, con precisin, el estado de carga de las celdas. Observaciones Teniendo en cuenta los detalles presentados hasta este momento, es importante recordar que: Como la proporcin de agua en una batera cargada disminuye, siempre se debe observar el nivel del electrolito despus que la batera ha sido cargada. Para restaurar el nivel correcto del electrolito slo debe agregarse agua destilada. La remocin temporaria de los tapones de ventilacin permite medir la densidad del electrolito. Batera para automotor Es interesante observar los detalles de construccin de una batera de este tipo, con electrolito lquido, ya que muchos de ellos se repiten en otros tipos de bateras. La Figura 5.2 proporciona estos detalles.

Batera Pb-cido para automotor

Detalles de construccin Las celdas (2) estn agrupadas en particiones (4) dentro de la caja (1) , de manera que cada celda tiene una parte del electrolito. La Figura (a y b) muestra el entrelazado de las placas positivas y negativas que componen una celda, con separadores intermedios porosos (3) los que dejan pasar las cargas, a la vez que evitan el cortocircuito entre placas adyacentes (polaridad opuesta). Este entrelazado permite aumentar la superficie activa de las celdas sin incrementar excesivamente el volumen de la caja. La letra E (Fig. b) marca el nivel superior del electrolito, el que se muestra en forma ondulante porque el automotor lo agita durante su marcha. El nivel correcto se alcanza cuando ste cubre la parte superior de las placas, dejando un espacio libre entre el electrolito y el tope de la caja, el que sirve para acumular, temporariamente, los gases liberados durante la carga. Los bornes de salida (5) son de plomo y levemente cnicos, para facilitar el desmontaje de los terminales de cables, los que estn hechos con slidas abrazaderas de plomo, que se sujetan al terminal de batera con tornillo y tuerca. Como los vehculos al rodar agitan constantemente el electrolito, los tapones de ventilacin se agrupan en dos recesos de la caja. Cada uno de ellos contiene tres tapones, los que estn protegidos por una tapa que calza a presin (7). El moldeado de los agujeros para los tapones de ventilacin se extiende dentro de la caja. Al alcanzarse el nivel correcto para el electrolito, la luz que entra se refleja con intensidad, ya que electrolito forma una superficie cncava debido al efecto de capilaridad con los bordes moldeados. Coneccionado interno Las placas de igual polaridad dentro de una celda estn conectadas en paralelo por las barras de coneccin (6). La barra de una polaridad, dentro de una celda, se conecta a la barra que une las placas de polaridad opuesta en la celda adyacente, establecindose una coneccin serie entre ellas como se muestra en la Figura:

Coneccionado interno Para un voltaje nominal de 12 V de salida la caja contiene seis (6) celdas en serie. Placas Las Figuras a y b muestran la estructura interna de una placa y su montaje. El material activo tiene una estructura esponjosa (1), la que se deposita sobre una rejilla de sostn de plomo (2). Las lengetas (3) de cada rejilla sirven para conectar las placas de una polaridad a la barra correspondiente. La placa adjacente (diferente polaridad) del entrelazado tiene la lengeta en el extremo opuesto, para poder separar las barras de diferente polaridad. El separador (4) envuelve a la placa como un sobre, proveyendo aislacin en toda su superficie activa. Otros fabricantes usan un separador plano (Figura b).

Detalle de construccin y montaje de las placas

Problemas tpicos Las bateras de Pb-cido con electrolito lquido presentan problemas cuando estn en servicio activo o en almacenamiento. A continuacin mencionar los ms comunes.

Bajas temperaturas- Congelamiento del electrolito La temperatura que alcanza el electrolito est determinada por la temperatura ambiente, ya que despus de una hora la temperatura del electrolito alcanza un valor muy cercano al ambiental. Si bien la corriente que circula por la batera crea una leve disipacin de calor, debido a la resistencia interna, este valor es sumamente bajo como para superar la accin de una

temperatura ambiente muy por debajo de los 25C (77F), que es el valor de temperatura ideal de trabajo para una batera de cualquier tipo. Al bajar la temperatura del electrolito la actividad qumica disminuye y, consecuentemente, el nmero de cargas libres se reduce. En trminos elctricos esta menor actividad qumica se manifiesta en un aumento de la resistencia interna del acumulador (Apndice I). Este aumento disminuye el voltaje de salida, y consecuentemente, la corriente en la carga. Cuando la temperatura ambiente alcanza valores por debajo de 0C (32F), el estado de carga de la batera (proporcin de agua) determinar la posibilidad de congelamiento del electrolito. La Tabla VI-1 proporciona valores promedios para la temperatura de congelacin del electrolito lquido en funcin del estado de carga.

Nota: Para una batera en particular, el usuario debr solicitar esta informacin del fabricante (o su representante). Al congelarse, el agua se expande. La fuerza de expansin distorsiona las placas, y hasta puede llegar a quebrar la caja. En ambos casos el dao es permanentemente y la batera debe ser descartada. Bajas temperaturas- Capacidad de almacenamiento La Tabla VI-2 muestra, en forma porcentual, los cambios en la capacidad de acumulacin de una batera de Pb-cido con electrolito lquido, cuando la temperatura del electrolito disminuye.

Altas temperaturas- Vida til Cuando la temperatura ambiente se eleva, la accin qumica se acelera, disminuyendo el valor de la resistencia interna. Algn lector puede conclur que las temperaturas ambientes elevadas son las ideales. La conclusin es errnea, pues la mayor actividad qumica se traduce en una reduccin de la vida til del acumulador, ya que se acelera el desgaste de la superficie activa de los electrodos. La Tabla VI-3 muestra la reduccin porcentual de la vida til en relacin al valor mximo a 25C, si la temperatura de trabajo de la batera se mantiene a la temperatura especificada en la tabla.

3

Este es el mayor problema cuando se usan bateras de plomo-cido con electrolito lquido. Hemos visto que la descarga forma un depsito de sulfato de plomo en ambas placas. Normalmente, este depsito est constituido por pequeos cristales, que se descomponen fcilmente durante el proceso de carga, disolvindose en el electrolito. Si el balance energtico no puede ser alcanzado para la mayora de los das en que el sistema permanece activo, el depsito de sulfato de plomo comienza a crecer en espesor. La corriente de carga no consigue desprenderlo totalmente, reducindose la superficie activa de las placas, lo que acorta rpidamente la vida til del acumulador. A este mecanismo se lo denomina sulfatacin de la batera. Notas: Este mecanismo toma lugar, asimismo, en bateras que permanecen en depsito por largo tiempo, sin ser recargadas. La posibilidad de sulfatacin de las placas se incrementa, si el sistemas FV est instalado en un lugar donde los perodos nublados son de larga duraci. El proceso de sulfatacin se acelera cuando la temperatura del electrolito se eleva. Si el usuario de un sistema FV ignora la importancia de no sobre-descargar el banco de reserva

durante perodos de baja irradiacin solar, y no baja el consumo, la posibilidad de que las placas se sulfaten se incrementa substancialmente. Existe un remedio para este problema? Hasta hace pocos aos, se sugera el uso de una corriente entre 3 y 5 veces la de carga normal (corriente de ecualizacin), pero esta solucin, trae aparejado problemas, ya que los depsitos cristalinos que se desprenden caen en pedazos al fondo de la batera, sin disolverse en el electrolito. Esto significa que una parte importante del material activo que interviene en el proceso qumico se perder con cada ecualizacin. La corriente de ecualizacin, siendo tan elevada, requiere el uso de un cargador auxiliar, complicando an ms el proceso de recuperacin. Un procedimiento que da mejores resultados, pues acta como preventivo, es el uso de un desulfatador electrnico, el que somete a los cristales a una agitacin mecnica. Para aquellos que no pueden pagar por este tipo de desulfatador, la nica solucin es un cuidadoso uso del banco de reserva complementado por un riguroso plan de mantenimiento. Desulftadores electrnicos Actualmente se ofrecen dos versiones. Una (Renew-IT Pulse Technology) usa pulsos de alto voltaje, de muy corta duracin, a fin de reducir a un mnimo la corriente de agitacin. La otra versin (Atlantic Solar Products, Inc.) emplea un oscilador de alta frecuencia para llevar a cabo la agitacin mecnica. La informacin tcnica suministrada por las dos compaas indica que el modelo a pulsos consume ms energa que el segundo, ya que fu originalmente diseado para bateras de automotores, las que siempre estn siendo cargadas. El segundo (Figura 5.5), tiene un consumo insignificante, comparado con el de la carga, y puede conectrselo, permanentemente, en paralelo con la salida. En este modelo las oscilaciones elctricas ayudan a remover los depsitos durante el perodo normal de carga, de manera que su diseo parece ser ms bien preventivo, aunque, con tiempo, puede recuperar una batera considerada descartable (descartada).

Desulfatador electrnico

Gasificacin Cuando una batera de Pb-cido alcanza el 100% de su carga, su voltaje es muy cercano al del cargador. La diferencia de voltaje es mnima, disminuyendo la corriente de carga y, por ende, las reacciones qumicas. Es entonces cuando los iones de oxgeno e hidrgeno formados por la electrlisis del agua no se combinan qumicamente y escapan por los tapones de ventilacin. Los de hidrgeno (H)+ irn al electrodo negativo, y los de (O)2 al electrodo positivo. Este escape de gases produce un burbujeo en el electrolito, al que se conoce como gasificacin. Algo de gasificacin es til, pues contribuye a homogeneizar la solucin electroltica evitando la estratificacin en capas con distintas densidades. Pero an a bajos niveles, el oxgeno ataca los sostenes de plomo de las celdas, lo que puede ocasionar el derrumbe de una de las celdas. Este fenmeno, conocido como la muerte sbita de la batera, ocurre sin dar aviso previo. Si el cargador tiene un voltaje elevado, la gasificacin se incrementa y el burbujeo se hace tan intenso que los gases arrastran parte del electrolito fuera de la caja, a travs de los tapones de respiracin. El cido sulfrico que escapa daa los terminales de salida y disminuye la cantidad de cido en solucin. Autodescarga Una batera que est cargada y permanece inactiva, independientemente de su tipo, pierde su carga con el tiempo. Este fenmeno es conocido como autodescarga. La rapidez de descarga depende de: El tipo de batera (Pb-cido lquido o gelatinoso, Niquel-Cadmium, etc). La temperatura ambiente. A las placas de las bateras de Pb-cido para automotor se le agrega calcio (bateras de mantenimiento nulo) para reducir la prdida de agua en el electrolito y la gasificacin. La presencia del calcio retarda la autodescarga, lo que es importante si el vehculo permanence inactivo por un tiempo. Estas bateras, a temperaturas cercanas a los 25C, tardan un ao en perder el 50% de su carga. A las placas de las bateras de Pb-cido de ciclo profundo (bateras solares) se le agrega antimonio, lo que permite incrementar la cantidad de material activo en las mismas, y, por ende, su duracin. El antimonio aumenta la autodescarga, tardando slo unos meses en descargarse totalmente a una temperatura cercana a los 25C. Cuando la temperatura ambiente se eleva, la autodescarga se acelera, como se mencion anteriormente. Comentarios Los problemas enumerados muestran la necesidad de: Ubicar las bateras en un lugar donde la temperatura ambiente se mantenga cercana a los 25C durante todo el ao. Mantener las bateras cargadas. Vigilar constantemente el estado de carga de una batera de Pb-cido (electrolito lquido) que debe permanecer en depsito por largo tiempo.

Alternar, cada semana, la batera en depsito con otra unidad en uso. No someter el banco de bateras a descargas excesivas. Mantener el balance entre carga y descarga. La sulfatacin destruye, segn la information tcnica proporcionada por la asociacin de fabricantes de acumuladores de Pb-cido de los EEUU, ocho (8) de cada diez (10) bateras de Pb-cido en uso. Voltaje vs Carga Si bien el voltaje de batera no representa una medida absoluta del estado de carga de la misma, ste es el nico indicador que nos queda cuando debemos evaluar el estado de carga de una batera hermtica con electrolito cido. La medida de este valor debe tomarse con la batera descansada, es decir, no durante la carga, o cerca de haber terminado la misma. Como un proceso qumico toma lugar en ambos casos, el voltaje experimenta variaciones. La pgina siguiente proporciona una tabla que relaciona el voltaje de batera y la densidad del electrolito (25C) con el por ciento del estado de carga. La tabla incluye valores para bateras de 6 y 12 V, los que guardan una relacin de 2:1.

MANTENIMIENTO DE BATERASCuando la inspeccin visual revele que los contactos de bateras estn sulfatados, desconctelos y, usando un cepillo con cerdas metlicas finas, limpie con cuidado la superficie de los bornes y la de los terminales afectados. Cuide de no respirar las partculas cepillando con movimientos que las expulsen lejos de ud. Nivel del electrolito La cavidad en donde se inserta el tapn de una celda de batera est diseada para que se cree un menisco (superficie cncava), el que acta como un lente reflector de la luz incindente. La ilustracin dada a continuacin muestra como se forma el menisco reflector debido a la fuerza de capilaridad en los bordes de la cavidad. Su aparicin es fcilmente detectada, e indica que no se debe agregar ms agua destilada.

No exceda este nivel. Use nicamente agua destilada. Nunca agregue cido o substancias restauradoras.

Densidad del electrolito Para evaluar su valor se utiliza el densmetro (hydrometer, en ingls). La figura ilustra un densmetro que tiene incorporado, dentro del tubo de medida, un termmetro.

Densmetro con termmetro y flotador interno Este tipo de densmetro es el mejor, y consecuentemente, el ms caro. Puede as mismo usar modelos menos refinados y estimar la temperatura del electrolito conociendo la temperatura del ambiente donde estn las bateras. La Figura muestra un modelo sin termmetro, usado para evaluar bateras para automotores. Hoy da se ofrece un modelo digital.

Densmetro sin termmetro Observaciones La densidad del electrolito sigue creciendo despus que una batera ha sido desconectada de su circuito de carga, y sigue bajando despus que se desconecta su carga. La medicin de la densidad es afectada por la temperatura del electrolito, la que puede diferir de la ambiente si la batera ha permanecido activa (cargando o descargando). Medicin

Nunca agregue agua destilada antes de medir la densidad del electrolito. Antes de efectuar una medicin de la densidad, mueva suavemente la batera para homogeneizar el electrolito. Este procedimiento puede formar parte de la rutina de la inspeccin manual, evitando la estratificacin del electrolito. En bateras de auto no se necesita esta precaucin porque no permanecen estticas por largo tiempo. Haga descansar la batera durante una hora, de ser posible, para homogenizar la temperatura del electrolito. Antes de sumergir la punta flexible de goma dentro de la celda, oprima la perilla para que salga el aire. Esta precaucin evitar que salte electrolito al oprimir la perilla. Llene el densmetro y vacelo lentamente unas tres a cuatro veces para que el cuerpo del densmetro alcance la temperatura del electrolito. Esta precaucin es ms importante con climas fros. Restituya el electrolito del densmetro a la celda de donde lo extrajo cuando termine con una medicin. No mezcle electrolitos de diferentes celdas. Los dos densmetros ilustrados trabajan basados en el desplazamiento de un indicador. En el de la Figura 13.1 el flotador tiene la escala de medicin. Un balastro calibrado ubicado en su parte inferior, tiende a mantenerlo sumergido. Cuando la densidad es mayor que la del agua (1,000), el flotador sube dentro del tubo que contiene el electrolito. Para obtener una buena lectura incorpore suficiente lquido para no restringir la flotacin de la escala y, usando un dedo, golpee suavemente las paredes exteriores para que no se pegue contra ellas. Evite que entre excesivo lquido forzando la parte superior del flotador dentro de la perilla. Al observar la escala del flotador, lea la parte central evitando los extremos del menisco. Observe la temperatura del electrolito. La Tabla I d los valores de la densidad para una temperatura de 27C. La Tabla II le permitir corregir el valor medido si la temperatura del electrolito es mayor o menor que la de referencia.

Leyendo la escala del flotador

El otro densmetro es de lectura directa, pero su graduacin slo es vlida para una temperatura de 27C. Notas: Se venden unos densmetros con bolitas de colores flotantes. Su calidad es extremadamente pobre. Ud necesita uno que le d un nmero para la densidad. Para simplificar la medida con un densmetro sin termmetro, slo recurra a la medida de temperatura cuando sta es muy baja o muy alta. Si no puede costear un termmetro, asuma que el electrolito est a la temperatura ambiente, la que en general est dada por la radio. Densidad vs. estado de carga

La Tabla I muestra esta relacin para una temperatura del electrolito de 27C. Para valores de voltajes de batera que son un mltiplo o submltiplo de 12V, multiplique o divida el voltaje por el valor correspondiente (para un banco de 6V divida por 2; para uno de 24V multiplique por 2). Correccin por temperatura La Tabla II muestra esta correlacin. Observe que la correccin tiene signos opuestos, dependiendo de la temperatura del electrolito. Los valores muestran que cada 11C la densidad cambia 0008 unidades.

Batera defectuosa Cuando el valor de la densidad de una celda difiere 0050 con respecto a cualquiera de las restantes, la celda tiene problemas de sulfatacin. Si tiene problemas con la alimentacin de la carga, reemplace la batera tan pronto como pueda. Este es un ejemplo prctico de como el registro puede ayudarlo a determinar si se est desarrollando un problema.

BIBLIOGRAFA http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit05.pdf http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit13.pdf