La función tradicional de la batería en el vano motor es bien conocida: sin la batería no se puede encender el vehículo. Además del motor de arranque, las bujías, las bujías incandescentes, las luces y las aplicaciones electrónicas requieren energía eléctrica. Pero, ¿cómo se construye una batería y cómo funciona?
Baterías de plomo-ácido: Componentes y estructura
Muchos conductores se dan cuenta del gran peso de las baterías de los coches cuando compran una nueva. Son posibles pesos desde aprox. 10,5 kg hasta 30 kg. La razón de esto son las placas de plomo en las celdas de la batería.
Componentes y estructura de una celda de batería.
Electrodo positivo:
- Placa positiva: En una batería de plomo-ácido, la placa cargada positivamente (material activo) consta de óxido de plomo (PbO 2 ) que se sumerge en un electrolito.
- Rejilla positiva: La rejilla positiva consiste en una aleación de plomo y se utiliza para contener el material activo y como colector de corriente.
Electrodo negativo:
- Placa negativa: La placa cargada negativamente (material activo) consiste en plomo puro (Pb), que también se encuentra sumergido en un electrolito.
- Placa negativa: Al igual que la placa positiva, esta también consiste en una aleación de plomo y tiene el mismo propósito.
Los electrodos con diferentes cargas están separados por una bolsa separadora.
El electrolito es una mezcla de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) y agua destilada. Este electrolito puede estar en forma líquida (como en las baterías húmedas convencionales o en la tecnología EFB mejorada), en forma de gel o ligado en una malla de vidrio (como en la tecnología AGM para aplicaciones de arranque y parada más nuevas).
Varios electrodos positivos forman un conjunto de placas positivas y varios electrodos negativos forman un conjunto de placas negativas. Juntos, un conjunto de placas negativas y positivas forman un bloque de placas. Un bloque de placas es una celda de batería.
Una batería de arranque convencional consta de 6 celdas conectadas en serie, cada una con un voltaje nominal de 2 V, lo que da como resultado un voltaje de exactamente 12,72 V cuando la batería está completamente cargada. La capacidad y la capacidad de arranque en frío de la batería resultan del número de placas por celda.
Regla general: Cuantas más placas contenga una celda y, por lo tanto, formen una superficie más grande, mayor será la potencia de arranque en frío (CCA) que puede entregar la batería. Sin embargo, si el espacio en la celda se usa para menos placas, pero más gruesas, la estabilidad del ciclo aumenta. Esto significa que la batería está diseñada para un mayor rendimiento de carga (proceso continuo de carga y descarga).
Las celdas están contenidas en una carcasa que está hecha de plástico resistente a los ácidos (polipropileno). En una batería SLI convencional, esta se cierra con una tapa con un sistema de laberinto que evita que se escape el líquido de la batería y separa el líquido del gas.
Las primeras baterías tenían tapones roscados que permitían recargarlas con agua destilada. Las baterías modernas son completamente libres de mantenimiento. El agua no necesita ser, y no debe ser recargada. Aunque las baterías AGM todavía tienen “enchufes unidireccionales”, estos no deben abrirse bajo ninguna circunstancia.
Función de batería de coche: la energía química se convierte en energía eléctrica
Una batería de automóvil almacena energía en forma química y la convierte en energía eléctrica. En este proceso electroquímico, cuatro materiales reaccionan entre sí:
- Hidrógeno (H)
- Oxígeno (O 2 )
- Plomo (Pb)
- Azufre (S)
La conexión de un consumidor externo inicia la reacción química en la batería:
- El electrolito, una mezcla de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) y agua destilada, se descompone en iones de hidrógeno con carga positiva (H + ) e iones de sulfato con carga negativa (SO 4 2- ).
- Al mismo tiempo, los electrones (2e – ) viajan del electrodo negativo al positivo a través del consumidor externo.
- Para compensar este flujo de electrones, los iones de sulfato viajan desde el electrolito hacia el electrodo negativo, donde reaccionan con el plomo (Pb) para producir sulfato de plomo (PbSO 4 ).
- El sulfato de plomo también se produce en el electrodo positivo: el enlace de oxígeno (O 2 ) en el óxido de plomo (PbO 2 ) se rompe por la transferencia de electrones y el oxígeno pasa al electrolito. El plomo restante (Pb) se une con el sulfato (SO 4 ) del electrolito.
- Allí, el oxígeno se une al hidrógeno para formar agua (H 2 O). A medida que el ácido sulfúrico se consume por la formación de sulfato de plomo, la concentración de la solución electrolítica se reduce. Cuando la concentración de ácido sulfúrico cae por debajo de un cierto nivel, la batería debe recargarse.
- Durante la carga, los procesos químicos tienen lugar en secuencia inversa. Al final, se pueden encontrar los elementos originales: El electrodo positivo consiste en sulfato de plomo (PbSO 4 ), el electrodo negativo consiste en plomo puro (Pb) y el electrolito consiste en ácido sulfúrico diluido (H 2 SO 4 ). Como este proceso de conversión está asociado con pérdidas, una batería solo puede soportar un número limitado de ciclos de carga. Su vida útil es por tanto limitada.
Problemas con las baterías de plomo-ácido: sulfatación y capas de ácido
Si una batería se carga con un voltaje demasiado bajo, o si siempre funciona con un voltaje demasiado bajo (por debajo del 80 %), se produce una formación de capas de ácido, también conocida como estratificación. El ácido en el electrolito se estratifica debido a una mala mezcla.
Varias densidades provocan la formación de capas de ácido sulfúrico en el fondo y agua en el área superior de la batería. Debido a esto, solo la sección central del electrolito, es decir, solo un tercio, puede usarse para el proceso de descarga y carga.
Una posible causa de la formación de capas de ácido son principalmente los viajes cortos con el uso simultáneo de una gran cantidad de consumidores eléctricos. En este caso, el alternador no tiene suficiente tiempo para recargar la batería.
Un resultado de la estratificación ácida es la sulfatación. Si esto ocurre en la batería, o si no se carga constantemente a un nivel adecuado, el sulfato de plomo (PbSO 4 ) cristaliza en los electrodos, para formar estructuras cristalinas más grandes con el transcurso del tiempo. Este proceso se conoce como “sulfatación”.
La cristalización evita la reconversión del sulfato de plomo en los componentes originales de plomo u óxido de plomo, lo que da como resultado la prevención de la aceptación de carga y la reducción de la potencia de arranque en frío.
Los cristales afilados también pueden dañar los separadores o causar cortocircuitos en las celdas.
Para contrarrestar este efecto y evitar fallas prematuras de la batería, nunca se debe someter una batería a un nivel de carga bajo durante un período prolongado. Para ello, es recomendable probar la batería regularmente y cargarla completamente si es necesario.
¿Te gustaría saber más sobre este tema? Cómo cargar correctamente una batería.
Nuevas tecnologías de baterías: AGM e iones de litio
Hasta ahora, las baterías de plomo-ácido convencionales han tenido una alta cuota de mercado. Sin embargo, el mercado está cambiando rápidamente : las tecnologías de batería innovadoras para vehículos start-stop, como AGM , utilizan ácido que se une en una estera para proporcionar una mayor estabilidad del ciclo y garantizar un rendimiento confiable en vehículos con mayores requisitos de energía. Otra ventaja de AGM: la formación de capas de ácido ya no es posible debido al ácido ligado.
Una nueva generación de baterías de automóvil para vehículos microhíbridos opera a 48V y utiliza celdas con tecnología de iones de litio.
Artículo fuente: https://batteryworld.varta-automotive.com/en-gb/how-does-car-battery-work