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Igualar la carga en la batería de plomo-ácido

La intención de ecualizar la carga es llevar la tensión de carga de una batería de plomo-ácido a niveles de gaseado para que todo el sulfato de plomo no convertido se cargue en plomo y dióxido de plomo, respectivamente, en NAM y PAM.

Carga de ecualización: Baterías de ecualización

El mantenimiento adecuado de las baterías de plomo-ácido ayuda a mejorar la vida útil de la batería. La igualación de la carga es uno de los aspectos más importantes de este procedimiento de mantenimiento.

Definición de carga de igualación

Para este tipo de baterías, la intención de igualar la carga es llevar la tensión de carga de una batería de 12V a niveles de gaseado para que todo el sulfato de plomo no convertido se cargue en plomo y dióxido de plomo, respectivamente, en NAM y PAM. Cuando se produce una gasificación libre y abundante, todos los iones de sulfato no cargados pasan al electrolito y aumentan la densidad del ácido.

Vinal en su libro clásico da la relación del voltaje de las células y los niveles de gaseo.

Niveles de gasificación y tensiones de las células en la carga de las células inundadas

(Créditos: Vinal, G.W., Storage Batteries, John Wiley & Sons, Nueva York, 1954, página 262)

Tensión de la célula (V) Nivel de gasificación Composición de los gases desprendidos H 2 Porcentaje Composición de los gases desprendidos O 2 Porcentaje
2.2 Sin gasificación - -
2.3 Ligeramente 52 47
2.4 Normal 60 38
2.5 Copioso 67 33

Del mismo modo, las baterías que no se han cargado correctamente en la fábrica requieren una carga de ecualización adicional. Esto puede evidenciarse por un aumento de la gravedad específica del electrolito a los pocos meses de la puesta en marcha de la batería, por ejemplo, una batería de inversor. Normalmente, el valor de la gravedad específica será de 1,240 antes del envío. Una vez que se alcanza este valor, algunos fabricantes dejan de cargar y asumen que la batería está completamente cargada.

En realidad, si hubieran continuado con la carga inicial, podrían haber visto un aumento sustancial de la gravedad específica. Este aspecto de la carga inicial indica la presencia de sulfato de plomo sin carga en las placas. Esta cantidad de sulfato de plomo ayudó a aumentar la gravedad específica del electrolito en el proceso de carga posterior.

¿Cómo ayuda la ecualización de la carga?

La carga de ecualización ayuda a realizar la vida útil diseñada de la batería, evitando un fallo prematuro debido a una carga insuficiente. Una batería que reciba regularmente una carga de ecualización vivirá más tiempo que una que no la reciba. Esto es especialmente cierto en el caso de las baterías de carretillas elevadoras, de automóviles y de inversores. Hemos visto que dar una carga equitativa a la batería de la carretilla elevadora garantiza un mejor rendimiento de la misma. La prolongación de la vida útil de la batería mediante el control de la ecualización de la carga es el camino establecido para mejorar su rendimiento.

En algunos países, los SAI y las baterías de las fuentes de alimentación estacionarias no experimentan cortes de energía ni siquiera durante unos minutos al año. En estas situaciones, los fabricantes de pilas aconsejan al consumidor desconectar la red eléctrica durante unos minutos. Esto evitará la «pasivación del flotador».

¿Qué es una carga de ecualización para una batería?

Todos los aspectos comentados anteriormente se aplican también a las baterías de RV. La única diferencia es que la tensión de carga para la carga de igualación es menor. Las baterías deben cargarse a no más de 14,4 V (para una batería de 12 V) durante una carga de ecualización. Los índices de gasificación son:

Niveles de gasificación y tensiones de flotación de las células en la carga de las células reguladas por válvula

Igualación de la tensión de carga

Tensión de la célula (V) Nivel de gasificación Eficiencia de recombinación (%) Tasa de gasificación * Tasa de gaseo relativa
2,25 a 2,3 Gasificación insignificante ~ 99.87 ~ 0.0185 ~ 1
2.4 Algo de gasificación ~ 99.74 ~ 0.037 ~ 2
2.5 Gaseado ~ 97.4 ~ 0.37 ~ 20

*cc/h/Ah/celda de: Créditos: C&D Technologies : Boletín técnico 41-6739, 2012).1 pie cúbico = 28317 cc (= (12*2,54)3 = 28316,85)

Igualar la carga - ¿En qué se diferencian las baterías VRLA de las baterías de plomo-ácido inundadas?

La química básica de las dos versiones de la batería de plomo es la misma. Las reacciones de descarga son similares, pero las de carga difieren en sus pasos intermedios.

Los gases (hidrógeno y oxígeno) que se desprenden al final de la carga en una batería de plomo-ácido inundada se expulsan. El oxígeno gaseoso que se desprende de la placa positiva de las células VR se desplaza fácilmente a la placa negativa y oxida el plomo, debido a los mayores coeficientes de difusión en un medio gaseoso. Se trata de una reacción rápida en las células de RV. Este movimiento de gases no es posible en las celdas inundadas debido a los menores coeficientes de difusión. Las condiciones similares a las de las celdas inundadas ocurrirán también en las celdas VR si la AGM está completamente saturada y la reacción de recombinación de oxígeno comenzará sólo cuando la condición de electrolito hambriento comience a desarrollarse debido a la electrólisis del agua y a la pérdida de algo de agua.

En una pila regulada por válvula, la evolución del hidrógeno se ve inhibida por la formación de sulfato de plomo durante la carga. Este sulfato de plomo lleva el potencial de la placa negativa a valores más positivos por lo que la evolución del hidrógeno se reduce mucho. También se utilizan aleaciones especiales en la red negativa, que tendrá una mayor sobretensión de hidrógeno.

Igualación de la carga: En cuanto a la construcción, las baterías VRLA presentan las siguientes diferencias:

  • El volumen del electrolito es menor en la batería VRLA. Esto se mantiene intencionadamente porque debe haber un paso para que el oxígeno desprendido de la PAM entre en contacto con la NAM a través de los poros no saturados del separador de estera de vidrio absorbente (AGM). Para compensar el reducido volumen del electrolito, en las baterías VR se utiliza un ácido de mayor densidad. Esto también compensará la reducción de las capacidades de las tarifas bajas.
  • Los elementos están muy comprimidos en la batería VRLA. Este aspecto es el más importante para aumentar la vida útil de las baterías. La compresión placa-separador-pared del contenedor es una parte integral del diseño. Esto asegura una buena difusión del electrolito entre las placas y el separador. La vida útil también aumenta debido a la reducción de la expansión positiva del material activo y la consiguiente pérdida de capacidad.

  • Las baterías VRLA tienen una válvula de resellado unidireccional en cada celda o puede haber una válvula común para unas cuantas celdas (especialmente en las de pequeña capacidad). Esta válvula multifuncional funciona de la siguiente manera:
    i. Evita la entrada accidental de aire atmosférico (oxígeno).
    ii. Ayuda al transporte de oxígeno asistido por presión de la PAM a la NAM
    iii. Evita la explosión en caso de que se desarrolle una presión indebida en el interior de la batería debido a una carga abusiva o a un mal funcionamiento del cargador.
  • El buen funcionamiento de las baterías VRLA depende del ciclo de oxígeno interno, que a su vez depende de una construcción a prueba de fugas: el sello de la tapa a la cubierta y el sello del pote a la cubierta. El ciclo de oxígeno interno ayuda a reducir la evolución del hidrógeno y, por lo tanto, reduce la pérdida de agua.

Ciclo interno del oxígeno

Durante la carga de la batería VRLA:
En la placa positiva se desprende gas O2 y se producen protones y electrones.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Ec. 1

El oxígeno gaseoso, los iones de hidrógeno y los electrones desarrollados como resultado de la electrólisis del agua en la placa positiva pasan a través de los poros vacíos, los poros llenos de gas y los canales del electrolito en el separador AGM (o las finas grietas en la matriz del electrolito gelificado en el caso de las baterías VR gelificadas) y llegan a las placas negativas. Este gas se combina con el plomo de la NAM para convertirse en PbO y el oxígeno reducido se combina con los iones de hidrógeno para formar agua. Este óxido se combina químicamente con los iones de sulfato para formar sulfato de plomo

2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + Calor ……… Ec. 2
—————————————————–
Pero, al tratarse de un proceso de carga, el sulfato de plomo así producido debe convertirse de nuevo en plomo; el ácido sulfúrico se genera por vía electroquímica al reaccionar con los protones (iones de hidrógeno) y los electrones resultantes de la descomposición del agua en las placas positivas cuando éstas se cargan.

2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Ec. 3

Cuando el NAM se convierte en PbSO4 durante una carga, el potencial de la placa negativa se vuelve más positivo (como en el caso de una descarga). Esto ayuda a dificultar la reacción de evolución del hidrógeno. Se producen cantidades muy pequeñas de gas hidrógeno, pero la válvula unidireccional garantiza que la presión dentro del tarro no alcance niveles peligrosos al ventilar el hidrógeno a la atmósfera, protegiendo así la pila de abultamientos y otros defectos.

La última reacción restablece el equilibrio químico de la célula. Como la suma neta de las reacciones (Ec. 1) a (Ec. 3) es cero, la energía eléctrica gastada durante la carga se convierte en calor y no en energía química [Ref. R.F. Nelson, Proc. 4th Int Lead Acid Battery Seminar, 25-27 Apr 1990, San Francisco, USA, ILZRO, Inc.,1990, pp.31-60].

Lead-acid-cell-Discharge-reactions-explained-1.jpg
Célula de plomo-ácido: explicación de las reacciones de descarga
Recombination-reaction-in-a-VR-cell-1.jpg
Reacción de recombinación en una célula VRLA

La ventaja más importante de una célula VRLA es que no es necesario añadir agua como procedimiento de mantenimiento. La siguiente ventaja es que desprende una cantidad insignificante de gases en el transcurso de su funcionamiento, debido a la recombinación de casi el 100% a los voltajes de flotación recomendados de 2,25 a 2,3 V por célula. Además, no hay restricciones de transporte para trasladar estas baterías de un lugar a otro.

Baterías primarias y recargables

Una pila se define como un dispositivo electroquímico que puede convertir la energía química en energía eléctrica a través de reacciones redox y actuar así como una fuente de energía electroquímica. Pero, no es una fuente de poder perenne. La batería sólo suministrará energía hasta que haya suficientes materiales activos para mantener las reacciones de producción de energía. Una vez que el nivel de tensión de la batería alcanza un determinado nivel inferior definido por la química del sistema, las reacciones tienen que invertirse, es decir, la batería tiene que recibir corriente continua. Este acto de suministrar una corriente continua en el sentido inverso de la descarga a una batería descargada para invertir las reacciones de descarga se llama «carga».

Esto regenerará los materiales activos originales de los productos de descarga y también aumentará el voltaje de la batería a valores más altos, de nuevo definidos por la química del sistema. Esta afirmación es aplicable a las baterías que se denominan secundarias o de almacenamiento. No es relevante para las pilas primarias, como las utilizadas en las linternas eléctricas y los relojes de pulsera. La disminución del voltaje de la batería durante una descarga se produce debido al agotamiento de los materiales activos y a varias otras razones.

Una unidad independiente de la batería se llama «célula». Una batería es una combinación de dos o más celdas conectadas de diferentes maneras para alcanzar los valores nominales de tensión y capacidad diseñados o el valor total de kWh. Lo más habitual es emplear una batería monobloque en los automóviles y en las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula(VRLA) y tubulares de pequeña capacidad (hasta 12V/200 Ah); por encima de esta capacidad se utilizan celdas individuales para obtener los kWh necesarios combinándolas en serie o en serie-paralelo.

Una batería de plomo-ácido de 48V/1500 Ah (o 72 kWh) puede tener 24 números de celdas de 2V/1500 Ah de capacidad conectadas en serie simple o 48 celdas de 2V/750 Ah de capacidad conectadas en serie-paralelo. Son 24 celdas conectadas en serie para hacer una batería de 48V/750Ah (o 36 kWh). Otra de estas baterías de 48V/750 se conectará en paralelo a la primera para convertirla en una batería de 48V/1500 Ah (72 kWh).

Otro ejemplo de una bateríade iones de litio (Li-ion) para vehículos eléctricos (EV):
Dependiendo del tamaño de la batería, el fabricante de vehículos eléctricos Tesla utiliza entre 6.000 y 8.000 celdas por paquete, cada una de las cuales tiene una capacidad de 3,6V/3,1 a 3,4 Ah para construir un paquete de baterías de 70 o 90 kWh.

La batería de 70 kWh del Tesla EV utiliza unas 6000 celdas del tipo 18650 NCA de 3,7 V/3,4 Ah, conectadas en una complicada disposición en serie-paralelo. Tiene una autonomía de 325 km por carga. (La cifra 18650 se refiere a un tipo particular de célula de iones de litio que tiene unas dimensiones aproximadas de 65 mm de longitud (o altura) y 18 mm de diámetro. El término «NCA» se refiere al material del cátodo utilizado en esta célula, por ejemplo, N = níquel, C = cobalto y A = aluminio, es decir, material del cátodo de níquel-cobalto-óxido de aluminio)
El paquete de 90kWh tiene 7.616 células en 16 módulos. El peso es de 540 kg. Tiene una autonomía de 426 km por carga.

Componentes de una célula de batería:

Los componentes más esenciales de una batería son:
a. Ánodo (placa negativa)
b. Cátodo (placa positiva)
c. Electrolito (En la batería de plomo-ácido, el electrolito es también un material activo, pero no así en la mayoría de los otros sistemas)
Los tres anteriores se denominan componentes activos
Por supuesto, hay componentes inactivos como
a. Tarro
b. Rejillas de recogida de corriente
c. Barra colectora o correas de conexión
d. Separadores
e. Conectores entre celdas
f. Puestos terminales, etc.

En una batería de plomo-ácido, el electrolito (ácido sulfúrico diluido) participa en la reacción de producción de energía, como puede verse en la reacción de la célula que se indica a continuación. El ácido sulfúrico se consume para convertir el dióxido de plomo y el plomo en sulfato de plomo, por lo que la densidad del electrolito disminuye a medida que avanza la reacción de descarga. Por el contrario, cuando la célula se carga, la densidad del electrolito aumenta a medida que se produce la reacción de carga. La razón es que los iones de sulfato absorbidos por los dos materiales activos durante la descarga se liberan en el electrolito y así la densidad del electrolito aumenta.

Reacciones de descarga y carga

Las reacciones de una pila o batería galvánica son específicas del sistema o de la química:

Por ejemplo, la pila de plomo:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 Descarga ↔ Carga 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V

En una célula de Ni-Cd

Cd + 2NiOOH + 2H2O Descarga ↔ Carga Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1,32 V

En una célula de Zn-Cl2:

Zn + Cl2 Descarga ↔ Carga ZnCl2 E° = 2,12 V

En una célula Daniel (Se trata de una célula primaria; nótese la ausencia de flechas reversibles)

Zn + Cu2+ Descarga ↔ Carga Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 V

Igualar la tensión de carga: más sobre la carga de una batería

Como se ha descrito anteriormente, una batería de almacenamiento no es una fuente de energía perenne. Una vez agotada, hay que recargarla para volver a obtener energía de ella. Se espera que las baterías tengan una determinada vida útil, llamada esperanza de vida. Para obtener la vida útil y la fiabilidad previstas, los acumuladores deben cargarse y mantenerse adecuadamente según las instrucciones proporcionadas por los fabricantes. Se deben utilizar métodos de carga adecuados para obtener la máxima vida útil posible de la batería.

Reacciones en la pila de plomo:

Durante la descarga: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

La descarga sólo procederá hasta que haya ciertas cantidades de materiales conductores en la célula; a partir de entonces, la tasa de caída de la tensión será tan rápida que se alcanzará pronto la tensión final. Por lo tanto, existe lo que se llama una tensión de corte o tensión final, más allá de la cual no se debe continuar con la descarga. Una mayor descarga dificultará la recarga y puede provocar resultados catastróficos inesperados.

Las baterías deben cargarse inmediatamente después de su descarga a los ritmos recomendados por el fabricante o según las instrucciones suministradas por ellos.

Recombination-reaction-in-a-VR-cell.jpg
Reacción de recombinación en una célula VRLA

¿Qué ocurre durante las reacciones de descarga y carga dentro de una célula?

Electrolito: 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4‾

Placa negativa: Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e

Pb2+ + HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+

⇑ ⇓

Placa positiva: PbO2 = Pb4+ + 2O2-

Pb4+ + 2e = Pb2+

Pb2++ 3H+ + HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯ ↓+ 2H2O

Al ser el ácido sulfúrico un electrolito fuerte, se disocia en forma de iones de hidrógeno e iones de bisulfato (también llamados iones de sulfato de hidrógeno).

Al iniciar una descarga, el plomo poroso de la placa negativa se oxida en iones de plomo (Pb2+) y, al estar siempre en contacto con el ácido sulfúrico del electrolito, se convierte en sulfato de plomo (PbSO4); este último se deposita como material blanco en los poros, la superficie y las grietas de las placas negativas. La primera reacción (el plomo se convierte en iones de plomo) es de naturaleza electroquímica, mientras que la segunda (los iones de plomo se convierten en sulfato de plomo) es una reacción química.

Decimos que el plomo se disuelve en forma de iones de plomo en las proximidades del lugar de reacción y se deposita inmediatamente en forma de sulfato de plomo tras combinarse con los iones bisulfato del electrolito en el material activo negativo (NAM). Este tipo de reacción se denomina mecanismo de disolución-deposición o disolución-precipitación en electroquímica.
Del mismo modo, el material activo positivo (PAM) se combina con los electrones procedentes del NAM y se convierte en iones de plomo, que se combinan con los iones de bisulfato del electrolito y se depositan como sulfato de plomo en el material activo positivo, siguiendo el mismo mecanismo de disolución-deposición.

Durante una recarga: 2PbSO4 + 2H2O Carga→ PbO2 + Pb + 2H2SO4

Los productos de reacción obtenidos durante la descarga en las placas positivas y negativas se convierten de nuevo en los materiales originales durante una carga. Aquí, las reacciones tienen denominaciones inversas a las de una descarga. La placa positiva se oxida, mientras que la placa de polaridad opuesta se reduce.

Carga de ecualización: Cuando se completa la carga completa

Se supone que las baterías han completado la recarga normal si se cumplen las siguientes condiciones:

Parámetro Batería de plomo inundada Batería de plomo regulada por válvula (VRLA)
Tensión y corriente de carga Aquí se supone una carga de corriente constante: la tensión de una batería al final de una carga debe ser constante para una corriente determinada. El valor puede ser de 16,2 a 16,5v para una batería de 12v Para una tensión impresa constante (digamos 13,8v a 14,4v para una batería de 12v), la corriente debe ser constante durante al menos dos horas
Peso específico del electrolito La gravedad específica del electrolito también debe alcanzar un valor constante. Este valor dependerá de la batería completamente cargada cuando fue suministrada por el fabricante. La gravedad específica del electrolito no se puede medir.
Naturaleza de la gasificación Gases uniformes y copiosos en ambas placas. El volumen de gases desprendidos será de 1:2 como en el agua, es decir, 2 volúmenes de hidrógeno por 1 volumen de oxígeno. A los niveles de tensión de carga recomendados para los VRLAB, se observa una desgasificación insignificante. A una carga de flotación de 2,25 a 2,3 voltios por celda (Vpc), no se observa evolución de gas. A 2,3 Vpc, un VRLAB de 12V y 100Ah puede emitir de 8 a 11 ml/h/12V de batería. Pero a 2,4 Vpc es casi el doble, de 18 a 21 ml/h/12V de batería. (i. Baterías VRLA de pbq, enero, 2010. ii. C&D Technologies: Boletín técnico 41-6739, 2012).

Carga de ecualización: qué es una carga de ecualización para una batería

  • Una batería de plomo-ácido recién montada requiere un llenado y una carga inicial.
  • Una batería descargada requiere una recarga normal.
  • Las baterías conectadas a aparatos y equipos no suelen estar completamente cargadas, en el sentido de que no alcanzan la tensión de carga completa de > 16 V para una batería de 12 V. Por ejemplo, en la aplicación SLI (arranque, iluminación y encendido) en los automóviles, la tensión máxima que puede alcanzar la batería es de unos 14,4 V para una batería de 12 V. Del mismo modo, los voltajes de carga de la batería del inversor/UPS no van más allá de 13,8 a 14,4 V. En estas aplicaciones, el proceso de acumulación de sulfato de plomo no convertido en las placas positivas y negativas va aumentando a medida que aumenta la vida útil de la batería.

La razón es que los valores de las tensiones mencionadas anteriormente no son suficientes para restaurar todos los productos descargados a los materiales activos originales. Este tipo de baterías requiere una recarga periódica para que todas las celdas se carguen completamente y al mismo nivel. Esto también ayudará a eliminar los efectos de la estratificación del electrolito. Este tipo de carga adicional se denomina carga de banco o carga de ecualización.

Conclusiones sobre la equiparación de cargos:

La carga de ecualización forma parte del procedimiento de mantenimiento. La tensión máxima a la que se puede realizar la carga de ecualización depende del tipo de batería de plomo-ácido, ya sea de tipo inundado o de tipo VRLA. El primer tipo de celdas puede cargarse a corriente constante hasta un voltaje de 16,5 V para una batería de 12 V para llevar todas las celdas de una batería al mismo nivel.

Sin embargo, las celdas VRLA deben cargarse sólo con el método de tensión constante y esta tensión impresa no debe superar la tensión máxima recomendada de 14,4 V para una batería de 12 V. Cuando no se dispone de la posibilidad de cargar a tensión constante, las baterías VRLA pueden cargarse a corriente constante con un control constante de la tensión en bornes (TV) de la batería. Siempre que el televisor se acerque o supere el nivel de 14,4 V, la corriente de carga debe reducirse continuamente para que el televisor no pueda superar los 14,4 V

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