Baterías de Plomo-Ácido: Algunos Fenómenos que las Afectan

Las reacciones que tienen lugar durante el funcionamiento de la batería se producen exclusivamente entre la materia activa y el electrolito. Durante la carga se forma óxido de plomo en el ánodo, plomo puro en el cátodo y se libera ácido sulfúrico. Estos dos materiales en combinación con el ácido producen una tensión eléctrica. En el proceso de descarga se forma sulfato de plomo en ambos electrodos y se absorbe ácido sulfúrico en el electrolito. Por lo tanto, una batería completamente descargada tendría sus electrodos iguales, el electrolito teóricamente sería pura agua y la tensión sería cero. En esencia, esta forma de acumular energía no ha cambiado en las baterías desde que fueron inventadas hace más de un siglo y medio atrás.¹

Es por esta misma razón, a pesar de los años de la tecnología, que los molestos procesos físico-químicos que energéticamente no son útiles y afectan al funcionamiento de la batería y acompañan a los procesos de carga y descarga normales, aún persisten. En este artículo, sin fórmulas ni matemáticas, consignamos aquellos que tienen relación principalmente con las baterías húmedas típicas.²
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a) Gaseo. En la fase final del proceso de carga de una batería, cuando la cantidad de sulfato de plomo en las placas es ya escasa y la reacción para formar plomo y óxido de plomo se ve dificultada, parte de la energía aportada a la batería se dedica a disociar el agua del electrolito: oxígeno en las placas positivas e hidrógeno en las negativas. Estos fenómenos, gracias a que son perceptibles como un burbujeo ascendente, reciben el nombre de gaseo o gasificación del agua. El gaseo se incrementa con el envejecimiento de la batería para un mismo valor de tensión. Es una energía no recuperable ya que no se almacena de ningún modo. La corriente de gaseo es una corriente de pérdidas, con una dependencia exponencial con la propia tensión de batería y con la temperatura: a mayor tensión y mayor temperatura, el gaseo aumenta.

El hecho de que esta energía de gaseo no sea recuperable no tiene excesiva importancia para el suministro eléctrico, puesto que se produce, como se ha explicado, cuando la batería está próxima a su carga completa y existe suficiente energía acumulada. Una tasa de gaseo elevada sí puede tener, sin embargo, efectos destacables sobre la vida de la batería. Como efectos negativos, se puede producir una pérdida excesiva de agua en el electrolito, que es necesario reponer para evitar una modificación de su densidad sobre los valores de diseño o la falta de líquido alrededor de las placas. Además, un gaseo excesivo puede ser dañino por su efecto activador sobre la tasa de corrosión y el desprendimiento de material. Junto a sus efectos perjudiciales, el gaseo del electrolito, si se produce de forma controlada, presenta un efecto positivo en instalaciones como las fotovoltaicas, por ejemplo, donde las baterías se encuentran estáticas y bajo condiciones de ciclado profundo. Aquí, el burbujeo produce un movimiento del electrolito que uniformiza su concentración y evita el fenómeno denominado estratificación.

b) Corrosión. También en condiciones de sobrecarga aparecen fenómenos de gran influencia sobre la vida útil de la batería como es la corrosión de la rejilla del electrodo positivo. Se produce una disminución de la sección útil de la rejilla que provoca, además de un aumento de la resistencia ante la circulación de corriente, un mayor riesgo de fallo por rotura. Estos fenómenos de corrosión se incrementan con la temperatura (se estima que la tasa de corrosión se dobla por cada 10ºC de aumento de la temperatura). 

Existe también riesgo de corrosión en condiciones de operación prolongada a bajos estados de carga, condiciones derivadas de un almacenamiento inadecuado, una descarga excesiva o una insuficiente corriente de carga. Se producen reacciones entre la materia activa y la propia rejilla de la misma placa positiva, junto con el electrolito, formando sulfato de plomo. La formación de los productos de la corrosión supone un impedimento para la posterior reacción normal de transformación de materia activa con el electrolito y para el paso de la corriente eléctrica, provocando un aumento de la resistencia interna y una pérdida progresiva de capacidad. La corrosión del electrodo positivo es uno de los procesos más estudiados en baterías de plomo-ácido, pero, a pesar de ello, sigue siendo una de las principales causas de fallo de las baterías en operación. 

c) Estratificación. En la disolución de ácido sulfúrico en agua, pueden aparecer diferencias de densidad significativas entre las zonas inferior y superior de la batería, por efecto de la gravedad. Este fenómeno, denominado estratificación del electrolito, se caracteriza por un desequilibrio en la tasa de reacciones internas entre puntos del mismo electrodo y la aparición de diferencias de potencial que, a su vez, favorece la continuación de las reacciones sin aprovechamiento externo. Se produce, por tanto, un efecto de auto-descarga de la batería. Este desequilibrio interno implica, asimismo, una degradación acelerada de la batería y la reducción de su tiempo de vida. En una batería instalada en un automóvil, su propio movimiento uniformiza la concentración del electrolito en todos sus puntos, evitando así la aparición de este fenómeno salvo etapas prolongadas sin uso del vehículo. Pero hay aplicaciones donde la batería se encuentra estática desde el momento de la instalación hasta su retirada, a lo que se añade a veces bajas corrientes de carga en comparación con otros regímenes, empeorando el fenómeno.

d) Sulfatación. Cuando la batería trabaja en condiciones de baja carga durante tiempos prolongados, por insuficiente insolación en aplicaciones fotovoltaicas por ejemplo, o consumo excesivo, aparece también el fenómeno de la sulfatación. El sulfato de plomo que se ha ido formando en las placas durante la descarga, y que en estados de baja carga es mayoritario, forma cristales de tamaño creciente con el tiempo, provocando que la zona interna de algunos de estos cristales no llegue a tener contacto con el electrolito. El proceso deja de ser reversible y se produce una pérdida de capacidad por la existencia de material no reutilizable, junto con un incremento de la resistencia interna.

e) Precipitación de sedimentos. En una batería en operación normal se produce con el tiempo el desprendimiento progresivo de ciertas cantidades de materia activa de las placas, que se acumula en el fondo de la caja al precipitar. Junto a la pérdida de capacidad provocada por la reducción de la cantidad de materia activa útil, existe el riesgo de que el sedimento acumulado llegue a alcanzar la parte inferior de las placas y pueda producir un cortocircuito entre ellas. Se encuentran baterías con un diseño que permite una mayor sedimentación entre placas y fondo antes de causar un cortocircuito. Otra opción presente en algunos modelos, son las bolsas que rodean las placas y que recogen el material desprendido evitando su precipitación. Entre las causas del desprendimiento y sedimentación de materia activa de la batería, esta la falla en la adherencia de esta materia, a las rejillas de plomo que le dan soporte; dependiendo del tipo de aleación que forme la rejilla esta adherencia es mejor (antimonio) o peor (calcio). Por otra parte, al ser diferente el volumen específico del plomo y del óxido de plomo respecto al del sulfato, en los sucesivos procesos de carga y descarga se producen tensiones mecánicas que pueden perjudicar la sujeción del material a la rejilla. En situaciones de sobrecarga con fenómenos de gaseo, las burbujas formadas, en su movimiento ascendente, arrastran partículas de materia activa que finalmente se depositan en el fondo. A corrientes elevadas el arrastre de material por gaseo se incrementa.

f) Efecto de la temperatura. La temperatura tiene una influencia importante sobre la batería, tanto sobre sus características de funcionamiento como sobre su degradación y tiempo de vida útil. Esta influencia tiene, además, dos efectos contrapuestos. En primer lugar, la temperatura determina la movilidad de los iones en el electrolito, aumentando con temperaturas crecientes; una batería sometida a condiciones de elevada temperatura ofrece menos resistencia interna y su capacidad es, por tanto, mayor. A temperaturas bajas, junto con la disminución de capacidad por una más complicada difusión de los iones, puede producirse la congelación del electrolito, lo que inutilizaría su operación. Junto a esta influencia sobre la capacidad, la temperatura también tiene un efecto determinante sobre los procesos de gaseo y corrosión en sobrecarga y, a partir de ellos, sobre la degradación de la batería, como consecuencia del incremento de la velocidad de reacción química. El aumento de temperatura disminuye la tensión a la que se inician los fenómenos de gaseo, perjudiciales para la batería si no se realizan de forma controlada con el único fin de evitar la estratificación. Además, las temperaturas elevadas favorecen los fenómenos de corrosión, acelerando de esta forma su envejecimiento.

(2) P. Díaz V., “Confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos Autónomos: Aplicación a la electrificación Rural”, Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, 2003.