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Batería de placas tubulares
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Placas tubulares: batería tubular alta frente a batería de placa plana

1. Qué es la batería de placas tubulares

Introducción a las pilas

Existen varios tipos de fuentes de energía electroquímica (también conocidas como células galvánicas, células voltaicas o baterías). Una pila se define como un dispositivo electroquímico que convierte la energía química en energía eléctrica y viceversa. El tema de la pila entra dentro de la electroquímica, que se define sencillamente como la materia que se ocupa de la interconversión de la energía química y la energía eléctrica. En este artículo hablaremos con más detalle sobre las placas tubulares y las placas semitubulares.

Estas células producen energía eléctrica mediante reacciones espontáneas de oxidación-reducción (reacciones redox) en las que intervienen las sustancias químicas de los electrodos positivo y negativo y el electrolito, que se producen en cada electrodo, llamado media célula. La energía química de los materiales activos se convierte en energía eléctrica. Los electrones producidos en la reacción de reducción pasan por el circuito externo que conecta las dos semicélulas, produciendo así una corriente eléctrica. La reacción de oxidación se produce al liberar los electrones del material del ánodo (principalmente metales) y la reacción de reducción se produce cuando los electrones llegan al cátodo (principalmente óxidos, cloruros, oxígeno, etc.) a través del circuito externo. El circuito se completa a través del electrolito.

Sistema de baterías de plomo:

Cuando el circuito externo se cierra, los electrones comienzan a viajar desde el polo negativo como resultado de la reacción que convierte (oxida electroquímicamente) el plomo (Pb) en iones de plomo divalentes (Pb2+). (Estos últimos iones reaccionan con las moléculas de sulfato para formar sulfato de plomo (PbSO4) dentro de la célula). Estos electrones viajan a través del circuito externo y llegan a la placa positiva donde convierten el dióxido de plomo en sulfato de plomo, es decir, el dióxido de plomo se reduce electroquímicamente a sulfato de plomo como resultado de la conversión de los iones Pb4+ en iones Pb2+ en PbSO4.

Tecnología de batería de placa tubular

La reacción global de la célula se escribe como

PbO2 + Pb + 2PbSO4 Carga ↔ Descarga 2PbSO4 + 2H2O

Podemos ver que la valencia del plomo (Pb°) aumenta a Pb

2+

,
liberando 2 electrones durante la descarga. Este aumento de la valencia se denomina oxidación en la terminología electroquímica.

En la otra dirección, la valencia del plomo en el dióxido de plomo (el Pb tiene 4 valencias en el dióxido de plomo) se reduce a 2+

absorbiendo los dos electrones procedentes de la reacción de oxidación. Esta disminución de la valencia se denomina reducción en términos electroquímicos.

Estos términos también pueden describirse mediante los cambios en los potenciales individuales de los electrodos de la célula durante la descarga. El potencial (voltaje) del electrodo de plomo (ánodo durante la descarga) aumenta moviéndose hacia valores más positivos durante una descarga. Este aumento del valor potencial se denomina oxidación. Así, el potencial negativo de la placa de plomo en la célula de plomo-ácido cambia de aproximadamente -0,35 a aproximadamente -0,20 voltios. Esto supone un aumento del potencial. Por lo tanto, esta reacción se denomina de naturaleza anódica.

Por el contrario, el potencial del electrodo de dióxido de plomo (cátodo durante la descarga) disminuye moviéndose hacia el lado negativo, es decir, el valor es cada vez más bajo a medida que la descarga avanza. El potencial positivo de la placa de dióxido de plomo en la célula de plomo-ácido cambia de unos 1,69 a unos 1,5 voltios. Esto supone una disminución del potencial. Por lo tanto, esta reacción se denomina de naturaleza catódica y decimos que la reducción se produce en una placa positiva durante la descarga.

Estas reducciones en las tensiones de trabajo durante la descarga se producen debido a lo que se denomina polarización, causada por una combinación de sobretensión, η, y resistencia interna, que se produce en ambos electrodos. En pocas palabras, la sobretensión es la diferencia entre la OCV y las tensiones de funcionamiento.

Así, durante la descarga,Edisch = EOCV – ηPOS – ηNEG – IR.

Pero, para la reacción de cargaECh = EOCV + ηPOS + ηNEG + IR.

La IR se refiere a la resistencia interna que ofrecen los materiales del interior de la célula, como el electrolito, el material activo, etc. El IR depende del diseño de la célula, es decir, del separador utilizado, del paso entre las placas, de los parámetros internos del material activo (tamaño de las partículas, superficie, porosidad, etc.), de la temperatura y de la cantidad de PbSO4 en el material activo. Se puede presentar como la suma de varias resistencias ofrecidas por el plomo superior, la masa activa y la capa de corrosión, el electrolito, el separador y la polarización de los materiales activos.

Los tres primeros factores se ven afectados por el diseño de la célula. No se puede hacer una afirmación general sobre los valores de polarización, pero suele ser de la misma magnitud que la resistencia inicial ofrecida por el cable superior. Las placas más largas tienen más IR. Se puede determinar a partir de la pendiente de la parte inicial de la curva de descarga. Para el mismo diseño, una célula de mayor capacidad tendrá una menor resistencia interna. La resistencia interna de una VRLAB de 12V/28Ah es de 6 mΩ, mientras que la de una batería de menor capacidad (12V/ 7Ah) es de 20 a 23 mΩ.

A valores muy bajos de η, la relación entre η y la corriente, I, toma la forma de la ley de Ohm y las ecuaciones referidas anteriormente se simplifican como

Edisch = EOCV – IR.
ECh = EOCV + IR.

La discusión anterior se refiere a la reacción de descarga de una célula de plomo-ácido.
Durante la reacción de carga de la célula de plomo-ácido se produce el fenómeno contrario.

En el caso de las pilas primarias, el electrodo positivo suele llamarse cátodo, mientras que el negativo se denomina ánodo, y esto es inequívoco, ya que sólo se produce la descarga.

Así, el electrodo de plomo que actuaba como ánodo se comporta como cátodo durante la reacción de carga y el electrodo de dióxido de plomo que actuaba como cátodo se comporta ahora como ánodo. Para evitar la ambigüedad, utilizamos simplemente electrodos o placas positivas y negativas en las células secundarias.
Para ilustrar cómo funciona esto en la práctica, la siguiente figura muestra algunas curvas hipotéticas de descarga y carga de una batería de plomo-ácido.

Se observa claramente que la tensión de descarga práctica está por debajo de la tensión de circuito abierto de 2,05V, y la tensión de carga práctica está por encima de este valor. La desviación de η es una medida de la influencia combinada de la resistencia interna de la célula y las pérdidas de polarización. Cada vez que se eleva la corriente de descarga o de carga, el valor de η se hace mayor, de acuerdo con las ecuaciones dadas anteriormente.

Fig. 1 y 2 Placa tubular
Fig. 1 Cambios en la tensión de un LAB y reacciones redox de la placa pos y neg.
Fig. 2 Cambios en la tensión de las placas y de la célula durante la carga y la descarga.

Para resumir las reacciones:
Plomo, el material activo negativo:
Durante la descarga: Pb → Pb2+ + 2e-
Durante la carga: Pb2+ → Pb (es decir, PbSO4 → Pb)

Dióxido de plomo, el material activo positivo:
Durante la descarga: Pb4+ → Pb2+ (PbO2 → PbSO4)
Durante la carga: Pb2+ → PbO2 (es decir, PbSO4 → PbO2)

Dado que ambos materiales del electrodo se convierten en sulfato de plomo, esta reacción recibió el nombre de «teoría del doble sulfato» por Gladstone y Tribe en 1882.

Clasificación de las baterías

Según la naturaleza de las reacciones electroquímicas que se producen en estas células, pueden clasificarse en

  • Baterías primarias
  • Secundario (o batería o acumulador)
  • Pilas de combustible

Para empezar, es mejor entender las diferencias entre estos tipos. En la pila primaria, la reacción electroquímica es irreversible, mientras que las pilas secundarias son conocidas por su reversibilidad de la reacción. La pila de combustible es también una pila primaria, pero la diferencia entre la pila de combustible y una pila primaria es que los reactantes se mantienen fuera del contenedor de la pila, mientras que en una pila primaria los reactantes están dentro de la pila.

  • En las pilas primarias (por ejemplo, las pilas de óxido de plata-zinc utilizadas en los relojes de pulsera, las pilas de MnO2- Zn utilizadas para las linternas y los mandos a distancia de las unidades de CA, los televisores, etc.) entran en esta categoría, En estas pilas, las reacciones sólo pueden proceder en una dirección y no podemos invertir la reacción haciendo pasar la electricidad en la dirección opuesta.
  • Por el contrario, las llamadas secundarias son conocidas por la reversibilidad de las reacciones productoras de energía. Después de la descarga, si pasamos la corriente continua en sentido contrario, los reactivos originales se regeneran a partir de los productos de reacción. Ejemplos de este tipo de baterías son la batería de plomo-ácido, la batería de iones de litio, la batería de Ni-Cd (en realidad, la batería de NiOOH-Cd), la batería de Ni-Fe, la batería de Ni-MH, por mencionar las baterías secundarias más comunes.
  • Para elaborar el concepto de reversibilidad, el dióxido de plomo (PbO2) en el electrodo positivo (comúnmente llamado «placas») y el plomo (Pb) en la placa negativa de una pila de plomo-ácido, se convierten en sulfato de plomo (PbSO4) cuando ambos materiales reaccionan con el electrolito, ácido sulfúrico diluido, durante la reacción de producción de energía. Los electroquímicos lo representan de la siguiente manera:
  • PbO2 + Pb + 2PbSO4 Carga ↔ Descarga 2PbSO4 + 2H2O
  • Una pila de combustible es también una pila primaria, pero sus reactantes se alimentan del exterior. Los electrodos de la pila de combustible son inertes, ya que no se consumen durante la reacción de la pila, sino que simplemente ayudan a la conducción electrónica y tienen efectos electrocatalíticos. Estas últimas propiedades permiten la electro-reducción o electro-oxidación de los reactivos (los materiales activos).
  • Los materiales activos del ánodo utilizados en las pilas de combustible suelen ser combustibles gaseosos o líquidos como el hidrógeno, el metanol, los hidrocarburos o el gas natural (los materiales ricos en hidrógeno se denominan combustibles) que se introducen en el lado del ánodo de la pila de combustible. Como estos materiales son como los combustibles convencionales utilizados en los motores térmicos, el término »pila de combustible» se ha establecido para describir este tipo de pilas. El oxígeno, a menudo aire, es el oxidante predominante y se introduce en el cátodo.

Pilas de combustible

  • En teoría, una sola pila de combustible de H2/O2 podría producir 1,23 V en condiciones ambientales.

    La reacción es: H2 + ½ O2 → H2O o 2H2 + O2 → 2H2O E° = 1,23 V

    Sin embargo, en la práctica, las pilas de combustible producen voltajes útiles muy alejados del voltaje teórico de 1,23 V y, por tanto, las pilas de combustible suelen funcionar entre 0,5 y 0,9 V. Las pérdidas o reducciones de voltaje con respecto al valor teórico se denominan »polarización», término y fenómeno aplicables a todas las pilas en diferentes grados.

Batería de plomo

En la producción de baterías de plomo-ácido se emplean diversos electrodos positivos (o, como se suele decir, «placas»):
Lo son:

a. Placa plana o placa de rejilla o placa pegada o placa de rejilla o placa de Fauré (1,3 a 4,0 mm de grosor)
b. Placas tubulares (diámetro interior ~ 4,9 a 7,5 mm)
c. Placas de planté (6 a 10 mm)
d. Placas cónicas
e. Placas de gelatina (0,6 a 0,9 mm)
f. Placas bipolares

  • El primer tipo de placa plana es el más utilizado; aunque puede suministrar grandes corrientes durante un corto periodo de tiempo (por ejemplo, para el arranque de un automóvil o un equipo de GD), tiene una vida más corta. En este caso, un colector de corriente rectangular de tipo reticular se rellena con una pasta hecha de una mezcla de óxido de plomo, agua y ácido sulfúrico, que se seca cuidadosamente y se forma. Tanto las placas positivas como las negativas se fabrican de la misma manera, salvo por la diferencia de los aditivos. Al ser delgadas, las baterías fabricadas con este tipo de placas pueden suministrar corrientes muy altas, necesarias para el arranque de un automóvil. La esperanza de vida es de 4 a 5 años en una aplicación de este tipo. Antes de la llegada del arreglo alternador-rectificador, la vida era más corta.
  • Placas tubulares: El siguiente tipo de placa más utilizado es la placa tubular, que tiene una vida más larga, pero no puede suministrar una ráfaga de corriente como en el tipo de baterías de placa plana. A continuación, se analizan en detalle las placas tubulares.
  • Para una larga vida útil con los requisitos más estrictos de fiabilidad en lugares como centrales eléctricas y centrales telefónicas, el tipo de célula de plomo preferido es el tipo Planté. El material de partida para la placa tubular es una fundición de unos 6-10 mm de espesor de láminas de plomo de gran pureza con numerosas y finas laminaciones verticales. La superficie básica de la placa tubular se ve enormemente aumentada por la construcción laminar, lo que da lugar a una superficie efectiva que es 12 veces superior a su área geométrica.
  • La placa cónica es una rejilla de plomo puro de forma circular (ahuecada en un ángulo de 10°), placas apiladas horizontalmente una sobre otra y fabricadas con plomo puro. Fue desarrollado por Bell Telephone Laboratories, Estados Unidos.
  • Las placas Jelly Roll son finas placas de rejilla continua fabricadas con una aleación de estaño de bajo contenido en plomo de 0,6 a 0,9 mm de grosor que facilitan las altas velocidades. Las placas se pegan con óxidos de plomo, se separan con una estera de vidrio absorbente y se enrollan en espiral para formar el elemento básico de la célula.
  • Placas bipolares: Estas placas tienen una lámina conductora central hecha de metal o de polímero conductor y tienen material activo positivo en un lado y material negativo en el otro. Estas placas se apilan de tal manera que los materiales activos de polaridad opuesta se enfrentan entre sí con un separador entre ellos, para obtener el voltaje requerido.
  • Aquí se elimina la conexión separada entre celdas, reduciendo así la resistencia interna. Hay que tener en cuenta que las placas extremas de una batería bipolar son siempre del tipo monopolar, ya sean positivas o negativas

2. Diferencias - Batería tubular frente a batería plana

Lasbaterías de placa plana están pensadas para descargas de alta intensidad y corta duración, como en las baterías de arranque de los automóviles y los equipos de DG. Suelen tener una vida útil de 4 a 5 años y el fin de su vida útil se debe principalmente a la corrosión de las rejillas positivas, lo que provoca la pérdida de contacto entre la rejilla y los materiales activos y el consiguiente desprendimiento.

¿Qué es mejor la batería tubular o la plana?

Lasplacas tubulares son robustas y, por lo tanto, tienen una vida útil de entre 10 y 15 años en operación de flotación. También son aptos para el trabajo cíclico y ofrecen la mayor duración de los ciclos. El material activo está contenido en el espacio anular entre la columna vertebral y el soporte de óxido. Esto restringe el estrés debido a los cambios de volumen que se producen cuando las células se ciclan.

El fin de la vida útil se debe de nuevo a la corrosión de las espinas y a la pérdida de contacto entre las espinas y el material activo. Sin embargo, el área de contacto entre la columna vertebral y la masa activa se reduce en una construcción de este tipo y, por lo tanto, bajo fuertes drenajes de corriente, la mayor densidad de corriente da lugar a un calentamiento local que conduce a la ruptura de los tubos y la grieta en la capa de corrosión.

Lascélulas de placa de Planté son las de mayor duración, pero su capacidad es escasa en comparación con otros tipos. Sin embargo, estas células ofrecen la mayor fiabilidad y la mayor duración de la flotación. Su coste también es más elevado, pero si se calcula a lo largo de su vida útil es realmente menor en comparación con otras pilas de tipo estacionario. La razón de una mayor vida útil es que la superficie de la placa positiva se regenera continuamente sin apenas perder capacidad a lo largo de su vida útil.
Las células de placa cónica están especialmente diseñadas por Lucent Technologies (antes AT&T Bell Laboratories) para una vida útil muy larga, de más de 30 años. Los datos recientes de corrosión de 23 años proyectan una vida útil de 68 a 69 años para estas baterías.

El diseño de los rollos de gelatina se presta a la producción en masa gracias a sus excelentes características mecánicas y eléctricas. La construcción Jelly-roll (electrodos enrollados en espiral) en un contenedor cilíndrico puede mantener presiones internas más altas sin deformarse y puede diseñarse para tener una presión de liberación más alta
que las células prismáticas. Esto se debe a un contenedor metálico exterior utilizado para evitar la deformación de las cajas de plástico a temperaturas más altas y presiones internas de la célula. El rango de presiones de venteo puede ser desde 170 kPa a 275 kPa (25 a 40 psi » 1,7 a 2,75 bar) para una pila metálica enrollada en espiral hasta de 7 kPa a 14 kPa (1 a 2 psi » 0,07 a 0,14 bar ) para una pila prismática grande.

Baterías de placa bipolar
En el diseño de una placa bipolar, hay un material conductor electrónico central (ya sea una lámina metálica o una lámina de polímero conductor) en un lado del cual hay un material activo positivo y en el otro, un material activo negativo. Aquí se elimina la conexión separada entre celdas, reduciendo así la resistencia interna. Hay que tener en cuenta que las placas extremas de una célula terminal bipolar son siempre del tipo monopolar, ya sea positiva o negativa.

Estas baterías tienen

  1. Mayor energía específica y mayor densidad energética (es decir, 40% menos de volumen o 60% del tamaño de una batería de plomo-ácido normal, 30% menos de peso o 70% de la masa de las baterías de plomo-ácido normales.
  2. Duplicar la duración del ciclo
  3. Se necesita la mitad de plomo y también se reducen otros materiales.

3. ¿Por qué una batería tubular?

Las baterías de placa tubular se utilizan principalmente cuando se requiere una larga vida útil con una mayor capacidad. Se utilizan principalmente en aplicaciones de reserva en centrales telefónicas y grandes fábricas para camiones de manipulación de materiales, tractores, vehículos de minería y, en cierta medida, carros de golf.

Hoy en día, estas baterías son omnipresentes en todos los hogares para aplicaciones de inversor-UPS.

En las baterías de los submarinos se emplean placas extra altas (de hasta 1 metro y más) para suministrar energía cuando el submarino está sumergido. Proporciona una potencia silenciosa. Las capacidades varían de 5.000 a 22.000 Ah. Las celdas submarinas tienen bombas de aire insertadas en ellas para anular la estratificación ácida del electrolito para las celdas de 1 a 1,4 m de altura.

Las baterías de plomo-ácido con placa tubular de electrolito gelificado reguladas por válvula se utilizan ampliamente en sistemas de energía no renovable como las aplicaciones solares.

Las baterías EV de placa tubular delgada para furgonetas y autobuses encuentran aplicaciones en el campo de los vehículos eléctricos y son capaces de ofrecer entre 800 y 1500 ciclos, dependiendo del grosor de la columna y de la energía específica.

La siguiente tabla ilustra la relación entre el grosor de la columna, el paso de las placas, la densidad del electrolito, la energía específica y el número de ciclos de vida.

Diámetro del tubo mm --> 7.5 6.1 4.9
Densidad del electrolito (Kg/Litro) 1.280 1.300 1.320
Número de espinas 19 24 30
Paso de placa tubular 15.9 13.5 11.4
Grosor de la columna vertebral 3.2 2.3 1.85
Energía específica (Wh por kg) a un ritmo de 5 horas 28 36 40
Ciclo de vida 1500 1000 800

Referencia: K. D. Merz, J. Power Sources, 73 (1998) 146-151.

4. ¿Cómo hacer una placa de batería tubular?

Bolsas tubulares

Las primeras placas tubulares fueron construidas con anillos individuales por Phillipart y con bolsas tubulares por Woodward fueron reportadas en 1890-1900 y el uso de tubos de goma ranurados (Exide Ironclad) fue desarrollado por Smith en 1910.

El montaje de tubos individuales en las espinas se practicaba antes y era una operación más lenta que la inserción de una rejilla completa en un diseño de tubos múltiples. Además, la unión física entre los tubos individuales del multitubo proporciona una mayor rigidez durante la operación unitaria de llenado. Se elimina el arqueo de las espinas dorsales debido al movimiento lateral. Estas son las razones por las que los fabricantes de baterías prefieren utilizar los guantes multitubulares PT Bags.

Preparación del tubo. En la actualidad, los multitubos o bolsas PT (guantes) se fabrican con fibras de vidrio u orgánicas resistentes a los productos químicos (poliéster, polipropileno, copolímeros de acrilonitrilo, etc.) mediante métodos de tejido, trenzado o fieltro.

En los primeros tiempos de los multitubos, se utilizaba tela tejida horizontalmente en un hilo del copolímero de cloruro de vinilo y acetato de vinilo. Dos capas de la tela se pasaron a cada lado de una fila de formadores cilíndricos (mandril) y la costura entre los formadores adyacentes se soldó con calor.

Pero el acetato de vinilo degeneraba y liberaba ácido acético que, a su vez, provocaba la corrosión de la columna vertebral y el fallo prematuro de la batería. Además, el sellado térmico debía ser controlado y dimensionado. Si la presión de sellado superaba un límite, las costuras eran débiles y pronto las capas se separaban en servicio. Por el contrario, si la presión de sellado era demasiado fuerte, el sellado era bueno pero la costura real era delgada y pronto se deshacía en servicio.

Si bien esto no causó un problema grave en el servicio, existía la tendencia a que la costura se separara durante las operaciones iniciales de manipulación y llenado y el centro de la placa tubular tendía a inclinarse, lo que creaba problemas en las siguientes operaciones de la unidad, por ejemplo, a veces había dificultades para insertar la placa en el contenedor de celdas debido a las placas sobredimensionadas.

Se intentaron varios métodos para sustituir el sellado por calor, como la técnica de tejido compuesto en la que los tubos se tejían en una sola operación con los filamentos entrecruzados entre los tubos para formar una costura integral. Los multitubos modernos utilizan el sellado por calor o la costura con filamentos de poliéster tejidos en telas o telas de poliéster no tejidas.

El atractivo de las telas no tejidas reside en el hecho de que el coste de fabricación es menor debido al menor coste del material básico al eliminarse el proceso de tejido. Sin embargo, para alcanzar el mismo orden de resistencia a la rotura, el tubo no tejido tiene que ser más grueso que su homólogo tejido. Esto reduce tanto el volumen de trabajo del electrolito (debido al mayor volumen del material del tubo no tejido). El volumen de material activo dentro del tubo también se reduce, lo que, a su vez, reduce marginalmente la capacidad de la célula.

Las excelentes placas tubulares se pueden fabricar con tubos individuales o con tubos múltiples
el hilo utilizado en la fabricación de los tubos es uno que no se desnaturaliza fácilmente en servicio. Tanto los filamentos de vidrio como los de poliéster especialmente formulados cumplen este requisito.

Las baterías de placa tubular son de aplicación estacionaria o en material rodante, y suelen cargarse por flotación a una tensión de 2,2 a 2,30 voltios por celda, dependiendo de la gravedad específica del electrolito. Algunos ejemplos son las baterías comunes de los inversores/UPS, las baterías de los teléfonos y las células de iluminación y aire acondicionado de los trenes (células TL y AC).

Máquina de llenado de placas tubulares

En una placa tubular, una serie de espinas de grosor adecuado fundidas en una aleación de plomo se conecta a una barra colectora superior, ya sea manualmente o mediante una máquina de fundición a presión. Las espinas se introducen en bolsas tubulares y el espacio entre las espinas y la bolsa PT (también llamado soporte de óxido) se rellena con óxido seco o pasta tixotrópica húmeda. Las espinas se mantienen en posición central gracias a la protuberancia en forma de estrella que tienen las espinas. Los bolsos PT se fabrican siempre con fibras de poliéster tejidas o afieltradas. Las placas tubulares así preparadas son posteriormente decapadas, curadas/secadas y formadas en tanque o en tarro con una densidad de electrolito adecuada.

El óxido de relleno puede tener cualquier composición: sólo óxido gris, óxido gris y plomo rojo (también llamado «minio») en proporciones variables.

La ventaja de tener plomo rojo en la mezcla positiva es que el tiempo de formación se reduce proporcionalmente al porcentaje de plomo rojo que contiene. Esto se debe a que el plomo rojo ya contiene aproximadamente un tercio de dióxido de plomo, siendo el resto monóxido de plomo. Es decir, el plomo rojo Pb3O4 = 2PbO + PbO2.

Alternativamente, las placas tubulares rellenas pueden ensamblarse directamente, después de eliminar las partículas de óxido sueltas adheridas a los tubos en el exterior, en celdas y baterías y formarlas en tarros.

La placa negativa se fabrica como de costumbre siguiendo la práctica de fabricación de placas planas. Los expansores son los mismos, pero, la cantidad de «blanc fixe» es mayor en comparación con una pasta para automóviles. Las placas tubulares se curan en hornos de curado durante unos 2 ó 3 días, tras pasar por un túnel de secado calentado por electricidad o gas para eliminar la humedad superficial, de modo que las placas no se peguen entre sí durante los procesos de manipulación posteriores.

La diferencia en la gravedad específica de llenado inicial del ácido para las pilas encurtidas y no encurtidas se debe a que las primeras contienen más ácido y, por tanto, se elige una gravedad específica más baja para las pilas de placas tubulares encurtidas, normalmente unos 20 puntos menos. La gravedad específica de acabado del electrolito es de 1,240 ± 0,010 a 27°C.
Cuanto mayor sea la gravedad específica del electrolito, mayor será la capacidad obtenida de estas baterías, pero la vida útil se verá afectada negativamente.
O bien, las placas tubulares pueden formarse en un tanque, secarse y montarse y cargarse como de costumbre.

5. Diferentes tipos de placa tubular

Fig. 3 y 4 Placas tubulares
Fig. 3 Los tubos pueden ser redondos, ovalados, planos, cuadrados o rectangulares Fig. 4 Diagrama de flujo que representa las operaciones de la unidad

La mayoría de los fabricantes de baterías emplean tubos cilíndricos para fabricar placas tubulares y baterías. Incluso en esto el diámetro de los tubos y, en consecuencia, el de las espinas puede variar de unos 8 mm a 4,5 mm.

Sin embargo, los tubos también pueden ser de tipo ovalado o plano o cuadrado o rectangular. La estructura básica es la misma que la de las placas tubulares cilíndricas precursoras (como se muestra arriba).

7. Ventajas de utilizar placas tubulares

Las placas tubulares destacan por su larga vida útil debido a la ausencia de desprendimiento de material activo. El material activo es retenido por la bolsa tubular y, por lo tanto, se puede utilizar una densidad de empaquetamiento menor para maximizar el coeficiente de uso. La mayor porosidad resultante también puede ayudar a utilizar más material activo en el proceso de producción de energía. Cuanto más gruesa sea la columna vertebral, más serán los ciclos de vida que se puedan obtener de dichas placas tubulares.

El número de ciclos de vida oscila entre 1000 y 2000 ciclos, dependiendo del grosor de las placas. Cuanto más gruesa sea la placa tubular, más será el número de ciclos que den. Se dice que las placas tubulares pueden ofrecer el doble de ciclos de vida en comparación con una placa plana del mismo grosor.

8. ¿Cómo se mejora la duración de la batería utilizando placas tubulares?

Como se ha comentado anteriormente, la vida útil de una batería de placa tubular es mayor que la de las baterías de placa plana. Las siguientes frases describen las razones de la mayor esperanza de vida de las baterías de placa tubular. Y lo que es más importante, el material activo queda rígidamente sujeto por los tubos de soporte de óxido, lo que evita el desprendimiento del material, que es la principal razón del fracaso de las pilas. Además, con el tiempo, las espinas obtienen una cubierta protectora de dióxido de plomo que ayuda a reducir la tasa de corrosión de las espinas. La corrosión es simplemente, la conversión de la columna de aleación de plomo en dióxido de plomo.

Termodinámicamente el plomo y las aleaciones de plomo son inestables bajo un alto potencial anódico de más de 1,7 a 2,0 voltios y bajo la atmósfera corrosiva del ácido sulfúrico tiende a corroerse y convertirse en PbO2.

Siempre que la célula está en carga a tensiones muy alejadas de la tensión en circuito abierto (OCV) en el lado más alto, el oxígeno se desprende como resultado de la disociación electrolítica del agua y el oxígeno se desprende en la superficie de las placas tubulares positivas y tiene que difundirse hacia la columna vertebral para corroerla. Dado que hay una gruesa capa de material activo positivo (PAM) que rodea las espinas, el oxígeno tiene que viajar desde la superficie por una larga distancia, por lo que la tasa de corrosión tiende a reducirse. Esto ayuda a prolongar la vida de las células de la placa tubular.

9. ¿Qué aplicaciones de baterías deberían utilizar idealmente placas tubulares?

Las placas tubulares se emplean sobre todo en las baterías de gran capacidad y larga duración, como las de los vehículos industriales de transporte interno (carretillas elevadoras, coches eléctricos, etc.). También se utiliza en la batería OPzS para aplicaciones de almacenamiento de energía como el sistema de almacenamiento de energía en batería (BESS), donde la capacidad de las celdas puede llegar a ser de 11000 Ah y de 200 a 500 kWh y hasta 20 MWh.

Las aplicaciones típicas de los BESS son la reducción de picos, el control de la frecuencia, la reserva de giro, la nivelación de la carga, la energía de emergencia, etc.

Hoy en día, todos los hogares de algunos países tienen al menos una batería de placas tubulares para aplicaciones de inversor-UPS. Por no hablar de algunos establecimientos comerciales, por ejemplo, los centros de navegación, donde se necesita un suministro continuo de energía.

Recientemente, las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula de placa tubular gelificada se utilizan ampliamente en sistemas de energía no renovable como las aplicaciones solares. En este caso, el tipo gelificado es el más adecuado.

Los vehículos eléctricos que requieren 800 ciclos con 40 Wh/kg de energía específica pueden utilizar mejor las baterías tubulares delgadas para vehículos eléctricos. El rango de capacidad disponible es de 200Ah a 1000Ah a un ritmo de 5 h.

10. Características técnicas importantes de una batería de placas tubulares

La característica técnica más importante de la batería de placas tubulares es su capacidad para retener el material activo durante toda su vida útil sin que se produzca el proceso de desprendimiento en el curso normal, sentando así las bases para una larga vida útil.

Las baterías que emplean este tipo de placas tienen una larga vida útil de entre 15 y 20 años en aplicaciones estacionarias en condiciones de carga flotante, como las centrales telefónicas o el almacenamiento de energía. Para las operaciones cíclicas (como las baterías de tracción), las baterías pueden ofrecer entre 800 y 1500 ciclos, dependiendo de la producción de energía por ciclo. Cuanto menor sea la producción de energía por ciclo, mayor será la vida útil.

Las placas tubulares son las más adecuadas para las aplicaciones solares en versión regulada por válvula de electrolito gelificado sin problemas de estratificación en el electrolito. Al no requerir el rellenado periódico con agua homologada y al no emanar gases desagradables de estas células, son eminentemente adecuadas para las aplicaciones solares.

11. Conclusión

De las fuentes de energía electroquímica utilizadas hoy en día, la batería de plomo supera a todos los demás sistemas considerados individualmente. En la batería de plomo-ácido, las omnipresentes baterías de automóvil lideran el equipo. A continuación, la batería industrial de placa tubular. Las baterías para automóviles tienen capacidades del orden de 33 Ah a 180 Ah, todas ellas en contenedores monobloque, pero el otro tipo tiene una capacidad de 45 Ah a miles de Ah.

Las baterías de placa tubular de pequeña capacidad (hasta 200 Ah) se montan en monobloques y las de gran capacidad de 2v en recipientes individuales y se conectan en serie y en paralelo. Las baterías de placa tubular de gran capacidad se utilizan como fuentes de energía estacionarias en centrales telefónicas, establecimientos de almacenamiento de energía, etc. Las baterías de tracción tienen varias aplicaciones, como las carretillas de manipulación de materiales, las carretillas elevadoras, los carros de golf, etc.

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