Tipos de Baterías y sus Características

Exploramos las diversas tecnologías de baterías, sus propiedades distintivas y aplicaciones comunes en el ámbito tecnológico.

Baterías de Plomo-Ácido Reguladas por Válvula (VRLA)

Estas baterías están selladas y no requieren mantenimiento, lo que las hace ideales para diversas aplicaciones donde la ventilación es limitada o se busca una mayor seguridad.

Baterías GEL (Sin Mantenimiento)

  • Electrolito: Se presenta en forma de gel.
  • Ventajas: Ofrecen una mayor vida útil, son altamente resistentes a descargas profundas, vibraciones y variaciones de temperatura. No derraman líquido, lo que las hace seguras para diversas instalaciones.
  • Requisitos: Requieren cargadores especiales con un voltaje de carga bajo para evitar daños.

Baterías AGM (Absorbed Glass Mat)

  • Electrolito: Absorbido en una malla de fibra de vidrio.
  • Similitud con GEL: Comparten muchas ventajas con las baterías GEL, como la resistencia a vibraciones y la ausencia de derrames.
  • Ventajas: Una de sus principales ventajas es que se pueden cargar con sistemas convencionales, lo que facilita su integración en sistemas existentes.

Otras Tecnologías de Baterías

Baterías Calcio-Calcio / Calcio-Plata

  • Características: Son más ligeras y presentan una menor corrosión interna.
  • Vida Útil: Su duración estimada es de 4 a 5 años, ofreciendo un buen equilibrio entre rendimiento y longevidad.

Baterías Alcalinas (Ni-Fe / Ni-Cd)

  • Características: Son ligeras, no requieren mantenimiento y tienen una baja tasa de autodescarga.
  • Vida Útil: Destacan por su larga vida útil, que puede alcanzar aproximadamente los 10 años.
  • Aplicaciones: Se utilizan comúnmente en aplicaciones críticas como aviones, vehículos eléctricos o sistemas solares debido a su fiabilidad.
  • Consideraciones: Son más caras que otras tecnologías y ofrecen un menor voltaje por celda (1.2 V).

Baterías de Litio

  • Características: Son extremadamente ligeras y compactas, con una alta capacidad energética y un voltaje elevado por celda. No presentan el efecto memoria, lo que permite cargas parciales sin afectar su rendimiento a largo plazo.
  • Consideraciones: Su costo inicial es alto y su rendimiento puede disminuir significativamente en temperaturas muy bajas (hasta –25°C).

Baterías de Plomo-Ácido Convencionales

Estas baterías requieren cierto nivel de mantenimiento, pero son robustas y fiables para diversas aplicaciones.

Baterías Plomo-Antimonio (Bajo Mantenimiento)

  • Composición: Contienen un menor contenido de antimonio, un elemento que puede ser corrosivo.
  • Ventajas: Esta composición mejora la resistencia de la batería y reduce la evaporación de agua, disminuyendo la necesidad de rellenado frecuente.

Baterías Plomo-Calcio (Sin Mantenimiento)

  • Composición: En esta variante, el antimonio es sustituido por calcio.
  • Ventajas: Resulta en menos corrosión, una menor autodescarga y una mayor vida útil. No necesitan rellenado de agua, lo que las clasifica como baterías sin mantenimiento.

Ciclos de Carga y Descarga de Baterías

Comprender cómo las baterías almacenan y liberan energía es fundamental para su uso eficiente y el mantenimiento adecuado.

Proceso de Descarga

Cuando la batería se conecta a un circuito consumidor, comienza a fluir corriente, lo que hace que el ácido sulfúrico del electrólito reaccione con las placas:

  • En la placa positiva se forma sulfato de plomo (PbSO₄) y se liberan oxígeno e hidrógeno.
  • En la placa negativa, el plomo reacciona con el ácido formando también sulfato de plomo y liberando hidrógeno, cediendo electrones al circuito externo.

El hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar agua, lo que provoca que la concentración o densidad del ácido sulfúrico disminuya. Al descargarse completamente, la materia activa de las placas está casi toda convertida en sulfato de plomo y la densidad del electrólito baja hasta aproximadamente 1.10 g/cm³, valor que se usa para medir el estado de carga mediante un densímetro.

Proceso de Carga

Al conectar un generador que suministra corriente en sentido contrario, se invierte el proceso de descarga. El sulfato de plomo de las placas reacciona y se transforma nuevamente en peróxido de plomo en la placa positiva y en plomo esponjoso en la placa negativa, liberando ácido sulfúrico al electrólito y aumentando su densidad. Si la corriente de carga continúa una vez que la batería está completamente cargada, se produce la electrólisis del agua, generándose burbujas de oxígeno en la placa positiva y de hidrógeno en la negativa, lo que provoca pérdida de agua dentro de la batería.

Consecuencias de la Carga Excesiva

  • Aumento de la Densidad del Electrolito: El agua se descompone formando ácido sulfúrico, lo que aumenta la densidad del electrólito.
  • Peligro de Explosión: La descomposición del agua genera gases de hidrógeno y oxígeno que, si se acumulan en lugares cerrados y se exponen a una chispa, pueden explotar. Por eso, la carga debe hacerse en lugares ventilados y siguiendo procedimientos seguros al conectar y desconectar.
  • Pérdida de Agua Destilada: Parte del agua se descompone y se escapa durante la carga, lo que puede requerir rellenado en baterías no selladas.

Consecuencias de la Descarga

  • Disminución de la Densidad del Electrolito: El ácido sulfúrico se descompone y se crea agua, reduciendo la concentración de ácido sulfúrico y la densidad del electrólito, lo que permite medir el estado de carga de la batería.
  • Sulfatación de las Placas: Se forma sulfato de plomo (PbSO₄) en las placas positivas y negativas. Aunque la reacción es reversible, con el tiempo y la descarga excesiva, el sulfato puede cristalizarse y volverse irreversible, disminuyendo permanentemente la capacidad de la batería.
  • Sobrecalentamiento: Una descarga excesiva o muy rápida puede generar calor que dilata las rejillas de plomo-antimonio y provoca el desprendimiento de materia activa, reduciendo la capacidad y pudiendo causar cortocircuitos internos.
  • Sobredescarga: Ocurre en descargas rápidas, como al arrancar el motor. El ácido cerca de las placas se diluye mucho, impidiendo las reacciones químicas, por lo que es necesario esperar unos segundos para que el electrólito se homogeneice y la batería pueda recuperarse.

Parámetros Eléctricos Clave de Baterías

Entender estos términos es crucial para evaluar el rendimiento y el estado de una batería en cualquier sistema eléctrico.

  • Tensión de Vacío (V0): Es el voltaje medido sin carga conectada a la batería. Típicamente, en baterías de 6 vasos (12V nominales), este valor es de aproximadamente 13.2 V.
  • Tensión Eficaz (Vef): Es el voltaje medido cuando la batería está bajo carga. Siempre es menor que la Tensión de Vacío (V0) debido a la resistencia interna de la batería.
  • Tensión Nominal: Es el voltaje fijo dado por el fabricante para identificar la batería, generalmente 12 V para baterías de vehículos, aunque su tensión real en vacío sea mayor.
  • Intensidad de Cortocircuito (Icc): Representa la corriente máxima que fluiría si se unieran directamente los bornes de la batería. Se calcula como la Tensión de Vacío (V0) dividida por la resistencia interna de la batería.
  • Rendimiento (η): Es la relación entre la energía útil descargada por la batería y la energía suministrada para cargarla. Siempre es menor al 100% debido a las pérdidas internas durante los procesos de carga y descarga.

Conexión de Baterías: Serie y Paralelo

La forma en que se conectan las baterías afecta directamente el voltaje y la capacidad total del sistema, permitiendo adaptar la fuente de energía a las necesidades de la aplicación.

Conexión en Serie

Al conectar baterías en serie, el voltaje total del sistema se suma, mientras que la capacidad (Ah) se mantiene igual a la de una sola batería (asumiendo que todas tienen la misma capacidad).

  • Voltaje Total (Vtotal): Vtotal = v1 + v2 + v3 + …
  • Capacidad Total (Ctotal): Ctotal = c1 = c2 = c3 (si todas las capacidades son iguales)
  • Resistencia Total (Rtotal): Rtotal = R1 + R2 + R3 + …

Conexión en Paralelo

Al conectar baterías en paralelo, el voltaje del sistema se mantiene igual al de una sola batería (asumiendo que todas tienen el mismo voltaje), mientras que la capacidad total (Ah) se suma.

  • Voltaje Total (Vtotal): Vtotal = v1 = v2 = v3 (si todos los voltajes son iguales)
  • Capacidad Total (Ctotal): Ctotal = c1 + c2 + c3 + …
  • Resistencia Total (Rtotal): 1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + … (Para dos resistencias: Rtotal = (R1 * R2) / (R1 + R2))

Manipulación y Seguridad de Baterías

La seguridad es primordial al trabajar con baterías debido a los riesgos inherentes de explosión, quemaduras por ácido y cortocircuitos.

Procedimiento de Conexión y Desconexión de Baterías

  1. Para Quitar la Batería:
    1. Desconecta primero el borne negativo (–), que generalmente está conectado a masa.
    2. Luego desconecta el borne positivo (+).
  2. Para Poner (Instalar) la Batería:
    1. Conecta primero el borne positivo (+).
    2. Luego conecta el borne negativo (–), que es el último en conectarse a masa.

Normas de Seguridad al Manipular Baterías

Las baterías generan gases explosivos (principalmente hidrógeno) durante la carga y descarga, y contienen ácido sulfúrico corrosivo. Por ello, deben almacenarse y manipularse en lugares bien ventilados y con temperatura controlada.

Riesgos Principales Asociados:

  • Golpes que pueden dañar la carcasa y provocar fugas.
  • Quemaduras por contacto con el ácido sulfúrico.
  • Salpicaduras de electrólito que pueden causar irritación severa en piel y ojos.
  • Explosiones por la acumulación de gases inflamables en presencia de chispas o llamas.

Precauciones para Reducir Riesgos

  • Almacenar las baterías en un lugar seco y bien ventilado, lejos de fuentes de calor.
  • Evitar altas temperaturas y la realización de trabajos de soldadura o esmerilado cerca de las baterías.
  • No acercar llamas abiertas, chispas ni cigarrillos encendidos a las baterías.
  • Aflojar o quitar los tapones de ventilación durante la carga (en baterías que lo permitan) para permitir la liberación segura de gases.
  • No dejar piezas metálicas o herramientas sobre la batería, ya que pueden causar cortocircuitos peligrosos.
  • No invertir la polaridad al conectar la batería, ya que esto puede causar daños graves a la batería y al sistema eléctrico.
  • Al quitar la batería, desconectar siempre primero el borne negativo (masa) para evitar cortocircuitos accidentales.
  • Al instalar la batería, conectar el borne negativo al final, siguiendo el orden inverso al de desconexión.