¿Cómo funciona la batería de plomo-ácido?

Inventada por el médico francés Gaston Planté en 1859, la de plomo-ácido fue la primera batería recargable de uso comercial. A pesar de su avanzada edad, la química del plomo sigue siendo muy utilizada hoy en día. Hay buenas razones para su popularidad: el plomo-ácido es fiable y barato en términos de coste por vatio. Hay pocas baterías que suministren energía a granel tan baratas como las de plomo-ácido, lo que las hace rentables para automóviles, coches de golf, carretillas elevadoras, embarcaciones y sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI).

La estructura de la rejilla de la batería de plomo-ácido está hecha de una aleación de plomo. El plomo puro es demasiado blando y no se sostendría por sí mismo, por lo que se añaden pequeñas cantidades de otros metales para conseguir la resistencia mecánica y mejorar las propiedades eléctricas. Los aditivos más comunes son el antimonio, el calcio, el estaño y el selenio. Estas baterías suelen conocerse como "plomo-antimonio" y "plomo-calcio".

La adición de antimonio y estaño mejora los ciclos profundos, pero aumenta el consumo de agua y la necesidad de ecualizar. El calcio reduce la autodescarga, pero la placa positiva de plomo-calcio tiene el efecto secundario de crecer debido a la oxidación de la rejilla cuando se sobrecarga. Las baterías modernas de plomo-ácido también utilizan agentes dopantes como selenio, cadmio, estaño y arsénico para reducir el contenido de antimonio y calcio.

El plomo-ácido es pesado y menos duradero que los sistemas basados en níquel y litio cuando se somete a ciclos profundos. Una descarga completa provoca tensión y cada ciclo de descarga/carga roba permanentemente a la batería una pequeña cantidad de capacidad. Esta pérdida es pequeña mientras la batería está en buenas condiciones de funcionamiento, pero el desvanecimiento aumenta una vez que el rendimiento desciende a la mitad de la capacidad nominal. Esta característica de desgaste se aplica a todas las baterías en diversos grados.

Dependiendo de la profundidad de descarga, el plomo-ácido para aplicaciones de ciclo profundo proporciona de 200 a 300 ciclos de descarga/carga. Las razones principales de su vida útil relativamente corta son la corrosión de la rejilla en el electrodo positivo, el agotamiento del material activo y la dilatación de las placas positivas. Este fenómeno de envejecimiento se acelera a temperaturas de funcionamiento elevadas y cuando se utilizan corrientes de descarga elevadas. (Véase BU-804:Cómo prolongar la vida útil de las baterías de plomo-ácido)

Cargar una batería de plomo-ácido es sencillo, pero hay que respetar los límites de tensión correctos. Elegir un límite de tensión bajo protege la batería, pero esto produce un rendimiento deficiente y provoca una acumulación de sulfatación en la placa negativa. Un límite de tensión alto mejora el rendimiento, pero forma corrosión en la rejilla de la placa positiva. Mientras que la sulfatación puede revertirse si se repara a tiempo, la corrosión es permanente. (Véase BU-403: Carga de baterías de plomo-ácido)

El plomo-ácido no se presta a la carga rápida y, con la mayoría de los tipos, una carga completa tarda entre 14 y 16 horas. La batería debe almacenarse siempre con el estado de carga completo. Una carga baja provoca sulfatación, una condición que reduce el rendimiento de la batería. La adición de carbono en el electrodo negativo reduce este problema, pero disminuye la energía específica. (Véase BU-202: Nuevos sistemas de plomo-ácido)

El plomo-ácido tiene una vida útil moderada, pero no está sujeto a la memoria como los sistemas basados en níquel, y la retención de carga es la mejor entre las baterías recargables. Mientras que las de NiCd pierden aproximadamente el 40% de su energía almacenada en tres meses, las de plomo-ácido se autodescargan la misma cantidad en un año. La batería de plomo-ácido funciona bien a bajas temperaturas y es superior a la de iones de litio cuando funciona en condiciones bajo cero. Según RWTH, Aachen, Alemania (2018), el coste del plomo-ácido inundado es de aproximadamente $150 por kWh, uno de los más bajos en baterías.

Plomo ácido sellado
La primera batería de plomo-ácido sellada, o sin mantenimiento, apareció a mediados de la década de 1970. Los ingenieros argumentaron que el término "plomo-ácido sellado" era un término equivocado porque ninguna batería de plomo-ácido puede ser totalmente sellada. Para controlar el venteo durante la carga estresante y la descarga rápida, se han añadido válvulas que liberan gases si se acumula presión. En lugar de sumergir las placas en un líquido, el electrolito se impregna en un separador humedecido, un diseño que se asemeja a los sistemas basados en níquel y litio. Esto permite utilizar la batería en cualquier orientación física sin que se produzcan fugas.

La batería sellada contiene menos electrolito que la de tipo inundado, de ahí el término "sin ácido". Quizá la ventaja más significativa del plomo-ácido sellado sea la capacidad de combinar oxígeno e hidrógeno para crear agua y evitar que se seque durante los ciclos. La recombinación se produce a una presión moderada de 0,14 bares (2 psi). La válvula sirve como ventilación de seguridad si aumenta la acumulación de gas. Debe evitarse el venteo repetido, ya que esto provocaría una eventual desecación. Según RWTH, Aachen, Alemania (2018), el coste de VRLA es de aproximadamente $260 por kWh.

Han surgido varios tipos de baterías de plomo-ácido selladas y las más comunes son las de gel, también conocidas como baterías de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA), y las de vidrio absorbente (AGM). La pila de gel contiene un gel de tipo sílice que suspende el electrolito en una pasta. Los packs más pequeños, con capacidades de hasta 30 Ah, suelen denominarse SLA (plomo-ácido sellado). Envasadas en un recipiente de plástico, estas baterías se utilizan para pequeños SAI, iluminación de emergencia y sillas de ruedas. Por su bajo precio, servicio fiable y escaso mantenimiento, las SLA siguen siendo la opción preferida para la asistencia sanitaria en hospitales y residencias de ancianos. Las VRLA de mayor tamaño se utilizan como fuente de alimentación de reserva para torres repetidoras de telefonía móvil, centros de Internet, bancos, hospitales, aeropuertos y otros lugares.

La AGM suspende el electrolito en una estera de vidrio especialmente diseñada. Esto ofrece varias ventajas con respecto a los sistemas de plomo-ácido, como una carga más rápida y corrientes de carga altas instantáneas bajo demanda. La AGM funciona mejor como batería de gama media con capacidades de 30 a 100 Ah y es menos adecuada para grandes sistemas, como los SAI. Los usos típicos son las baterías de arranque para motocicletas, la función de arranque-parada para coches microhíbridos, así como para embarcaciones y vehículos recreativos que necesitan algunos ciclos.

Con los ciclos y el paso del tiempo, la capacidad de las baterías AGM disminuye gradualmente; las de gel, en cambio, tienen una curva de rendimiento en forma de cúpula y se mantienen en el rango de alto rendimiento durante más tiempo, pero caen repentinamente hacia el final de su vida útil. Las AGM son más caras que las inundadas, pero más baratas que las de gel. (Las de gel serían demasiado caras para el uso de arranque/parada en automóviles).

A diferencia de la batería inundada, la batería de plomo-ácido sellada está diseñada con un bajo potencial de sobretensión para impedir que la batería alcance su potencial de generación de gas durante la carga. Un exceso de carga provoca la formación de gases, la ventilación y el subsiguiente agotamiento del agua y la desecación. En consecuencia, las baterías de gel, y en parte también las AGM, no pueden cargarse a su máximo potencial y el límite de tensión de carga debe fijarse por debajo del de una batería inundada. Esto también se aplica a la carga de flotación en carga completa. En lo que respecta a la carga, las baterías de gel y AGM no sustituyen directamente a las inundadas. Si no se dispone de un cargador designado para AGM con ajustes de tensión más bajos, desconecte el cargador después de 24 horas de carga. Esto evita la formación de gases debido a una tensión de flotación demasiado alta. (Véase BU-403: Carga de baterías de plomo-ácido)

La temperatura óptima de funcionamiento para una batería VRLA es de 25°C (77°F); cada aumento de 8°C (15°F) por encima de este umbral de temperatura reduce la vida útil de la batería a la mitad. (Véase BU-806a: Cómo afectan el calor y la carga a la vida útil de la batería) Las baterías de plomo-ácido tienen una capacidad nominal de descarga de 5 horas (0,2C) y 20 horas (0,05C). La batería funciona mejor cuando se descarga lentamente; las lecturas de capacidad son sustancialmente más altas con una descarga más lenta que con la tasa de 1C. Sin embargo, el plomo-ácido puede suministrar altas corrientes de impulso de varios C si se hace durante sólo unos segundos. Esto hace que el plomo-ácido sea muy adecuado como batería de arranque, también conocida como arranque-ligero-encendido (SLI). El alto contenido de plomo y el ácido sulfúrico hacen que el ácido de plomo sea poco respetuoso con el medio ambiente.

Las baterías de plomo-ácido se suelen clasificar en tres usos: Automoción (arranque o SLI), fuerza motriz (tracción o ciclo profundo) y estacionaria (SAI).

Baterías de arranque
La batería de arranque está diseñada para arrancar un motor con una carga momentánea de alta potencia que dura aproximadamente un segundo. Por su tamaño, la batería es capaz de suministrar una corriente elevada, pero no puede funcionar en ciclo profundo. Las baterías de arranque se clasifican con Ah o RS (capacidad de reserva) para indicar la capacidad de almacenamiento de energía, así como CCA (amperios de arranque en frío) para indicar la corriente que puede suministrar una batería a baja temperatura. La norma SAE J537 especifica 30 segundos de descarga a -18 °C (0 °F) con el amperaje CCA nominal sin que la tensión de la batería caiga por debajo de 7,2 voltios. RC refleja el tiempo de funcionamiento en minutos a una descarga constante de 25. (SAE son las siglas de Society of Automotive Engineers.) Véase también BU-902a: Cómo medir CCA.

Las baterías de arranque tienen una resistencia interna muy baja que se consigue añadiendo placas adicionales para obtener la máxima superficie (Figura 1). Las placas son finas y el plomo se aplica en forma de esponja con aspecto de espuma fina, lo que amplía aún más la superficie. El grosor de las placas, que es importante para una batería de ciclo profundo, lo es menos porque la descarga es corta y la batería se recarga mientras se conduce; el énfasis se pone en la potencia más que en la capacidad.

Batería de arranque

Figura 1: Batería de arranque.
La batería de arranque tiene muchas placas finas en paralelo para conseguir una baja resistencia con una gran superficie.
La batería de arranque no permite ciclos profundos. Cortesía de Cadex
Batería de ciclo profundo
La batería de ciclo profundo está fabricada para proporcionar energía continua a sillas de ruedas, coches de golf, carretillas elevadoras y mucho más. Esta batería se fabrica para ofrecer la máxima capacidad y un número de ciclos razonablemente alto. Esto se consigue haciendo que las placas de plomo sean gruesas (Figura 2). Aunque la batería está diseñada para funcionar en ciclos, las descargas completas provocan tensión y el número de ciclos está relacionado con la profundidad de descarga (DoD). Las baterías de ciclo profundo se indican en Ah o minutos de autonomía. La capacidad se suele clasificar en descargas de 5 y 20 horas.

Batería de ciclo profundo

Figura 2: Batería de ciclo profundo.
La batería de ciclo profundo tiene placas gruesas para mejorar la capacidad de ciclado.
La batería de ciclo profundo suele permitir unos 300 ciclos. Cortesía de Cadex
Una batería de arranque no puede cambiarse por una de ciclo profundo ni viceversa. Aunque una persona mayor con inventiva puede tener la tentación de instalar una batería de arranque en lugar de una de ciclo profundo, más cara, en su silla de ruedas para ahorrar dinero, la batería de arranque no duraría porque las finas placas esponjosas se disolverían rápidamente con los repetidos ciclos profundos.

Existen baterías combinadas de arranque y ciclo profundo para camiones, autobuses, vehículos militares y de seguridad pública, pero estas unidades son grandes y pesadas. Como simple orientación, cuanto más pesada sea la batería, más plomo contendrá y más durará. La Tabla 3 compara la vida útil típica de las baterías de arranque y de ciclo profundo cuando se someten a ciclos profundos.
Una descarga de 100% se refiere a una descarga completa; 50% es la mitad y 30% es una descarga moderada con 70% restantes.
¿Plomo ácido o Li-ion en su coche?
Desde que Cadillac introdujo el motor de arranque en 1912, las baterías de plomo-ácido fueron las preferidas. Thomas Edison intentó sustituir el plomo-ácido por el níquel-hierro (NiFe), pero el plomo-ácido prevaleció por su naturaleza robusta e indulgente, así como por su bajo coste. Ahora, el ácido de plomo que sirve como batería de arranque en los vehículos está siendo desafiado por el Li-ion.

La figura 4 ilustra las características del plomo-ácido y del Li-ion. Ambas químicas tienen un comportamiento similar en el arranque en frío. El plomo-ácido es ligeramente mejor en W/kg, pero el Li-ion ofrece grandes mejoras en la vida del ciclo, mejor energía específica en Wh/kg y buena aceptación de carga dinámica. Los puntos débiles del Li-ion son su elevado coste por kWh, su complejo reciclado y un historial de seguridad menos brillante que el del plomo-ácido.

Figura 4: Comparación del plomo-ácido y el Li-ion como batería de arranque.
El plomo-ácido mantiene un fuerte liderazgo en las baterías de arranque. El mérito es de su buen rendimiento a bajas temperaturas, su bajo coste, su buen historial de seguridad y su facilidad de reciclado[1].
El plomo es tóxico y a los ecologistas les gustaría sustituir la batería de plomo-ácido por una química alternativa. Europa consiguió mantener el NiCd fuera de los productos de consumo, y se están haciendo esfuerzos similares con la batería de arranque. Las opciones son NiMH y Li-ion, pero el precio es demasiado alto y el rendimiento a baja temperatura es deficiente. Con una tasa de reciclado del 99%, la batería de plomo-ácido plantea pocos riesgos medioambientales y probablemente seguirá siendo la batería elegida.