Baterías de Plomo-Ácido: Funcionamiento y Química
Las baterías de plomo-ácido son un tipo de baterías secundarias (recargables) que desempeñan un papel crucial en diversas aplicaciones, desde automóviles hasta sistemas de respaldo de energía. Su diseño incluye una carcasa, placas de plomo que actúan como electrodos positivos y negativos, y un electrolito compuesto por ácido sulfúrico al 37%.
Composición y Eficiencia
Estas baterías contienen el electrolito líquido en un recipiente no sellado, lo que obliga a mantenerlas en posición vertical y en áreas bien ventiladas para evitar la acumulación de gas hidrógeno producido durante la sobrecarga. La eficiencia coulómbica de las baterías de plomo-ácido suele ser del 85%, con eficiencias energéticas del orden del 70%.
Reacciones Químicas Durante la Descarga y Carga
El plomo y el dióxido de plomo, los materiales activos en las placas de la batería, reaccionan con el ácido sulfúrico del electrolito para formar sulfato de plomo. Este sulfato de plomo se forma inicialmente en un estado amorfo finamente dividido, que se revierte fácilmente a plomo, dióxido de plomo y ácido sulfúrico cuando la batería se recarga.
Durante la descarga, en el ánodo ocurre la reacción: Pb + SO42- → PbSO4 + 2e–. Aquí, el plomo se oxida con el electrolito para formar sulfato de plomo, liberando dos electrones. En el cátodo, el sulfato de plomo también se forma por la reacción: PbO2 + SO42- + 4H+ +2e– → PbSO4 + 2H2O, donde se produce una reducción del óxido de plomo. El sulfato de plomo formado se deposita como un recubrimiento en los electrodos.
Estado de Carga y Sobrecarga
Dado que el ácido sulfúrico se consume durante el proceso de descarga, el Estado de Carga (SoC) puede determinarse midiendo la densidad del electrolito. Durante la carga, los procesos ocurren en dirección opuesta, de modo que el sulfato de plomo formado durante la descarga se oxida a plomo y óxido de plomo reducido, respectivamente.
Si el sulfato de plomo se consume por completo y el proceso de carga no se detiene, comienza la electrólisis del electrolito. La sobrecarga con altos voltajes de carga genera gas de oxígeno e hidrógeno por electrólisis del agua, que burbujea y se pierde. Las baterías selladas tienen catalizadores (Pd, Pt) sobre la ventilación donde el gas oxihidrógeno puede recombinarse en agua.
Voltaje y Reacciones Redox
El voltaje de la celda resultante se puede determinar a partir de la serie galvánica. El voltaje total de la reacción redox es: E0 = 1.68V – (-0.36V) = 2.04V.
Conclusión
Entender el funcionamiento y la química de las baterías de plomo-ácido es esencial para su mantenimiento y optimización. A pesar de su antigüedad, estas baterías siguen siendo una opción fiable y económica para muchas aplicaciones. La gestión adecuada y el reciclaje son clave para minimizar su impacto ambiental y maximizar su vida útil.
