Función de batería de coche

¿Cómo funciona una batería de coche y cómo está construida?

La función tradicional de la batería en el compartimento del motor es bien conocida: Sin la batería, el vehículo no puede arrancar. Además del motor de arranque, las bujías, los calentadores, las luces y las aplicaciones electrónicas necesitan 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 coche cuando compran una nueva. Son posibles pesos desde unos 10,5 kg hasta 30 kg. El motivo son las placas de plomo de 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) está formada por óxido de plomo (PbO₂) que se sumerge en un electrolito.
• Rejilla positiva: La rejilla positiva está formada por una aleación de plomo y sirve para alojar 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 está sumergido en un electrolito.
• Placa negativa: Al igual que la placa positiva, también está formada por una aleación de plomo y cumple la misma función.
  

Los electrodos con cargas diferentes están separados por una bolsa separadora.

El electrolito es una mezcla de ácido sulfúrico (H₂SO₄) 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 aglomerado en una estera de vidrio (como en la tecnología AGM para las aplicaciones start-stop más recientes).

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 una tensión nominal de 2 V, lo que da como resultado una tensión de exactamente 12,72 V cuando la batería está completamente cargada. La capacidad y la capacidad de arranque en frío de la batería son el resultado del número de placas por célula.

Regla general: Cuantas más placas contenga una célula y, por tanto, formen una superficie mayor, mayor será la potencia de arranque en frío (CCA) que puede suministrar la batería. Sin embargo, si el espacio de la célula se utiliza 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 células están contenidas en una carcasa de plástico resistente a los ácidos (polipropileno). En una batería SLI convencional, se cierra con una tapa con un sistema de laberinto que impide que el líquido de la batería se escape y separa el líquido del gas.

Las primeras baterías tenían tapones de rosca que permitían rellenarlas con agua destilada. Las baterías modernas no necesitan mantenimiento. El agua no necesita ni debe reponerse. Aunque las baterías AGM siguen teniendo “tapones unidireccionales”, éstos no deben abrirse bajo ninguna circunstancia.

Función de la batería del coche: La energía química se convierte en energía eléctrica

Una batería de coche almacena energía en forma química y la convierte en energía eléctrica. En este proceso electroquímico, cuatro materiales reaccionan entre sí:

• Hidrógeno (H)
• Oxígeno (O₂)
• Plomo (Pb)
• Azufre (S)

La conexión de un consumidor externo inicia la reacción química en la batería:

• El electrolito, una mezcla de ácido sulfúrico (H₂SO₄) y agua destilada se descompone en iones de hidrógeno con carga positiva (H⁺) e iones de sulfato con carga negativa (SO₄^2-).
• 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 pasan del electrolito al electrodo negativo, donde reaccionan con el plomo (Pb) para producir sulfato de plomo (PbSO₄).
• También se produce sulfato de plomo en el electrodo positivo: El enlace del oxígeno (O₂) en el óxido de plomo (PbO₂) se rompe por la transferencia de electrones y el oxígeno pasa al electrolito. El plomo (Pb) restante se une con el sulfato (SO₄) del electrolito.
• Allí, el oxígeno se une con el hidrógeno para formar agua (H₂O). A medida que el ácido sulfúrico se agota por la formación de sulfato de plomo, la concentración de la solución electrolítica se reduce. Cuando la concentración de ácido sulfúrico desciende por debajo de un determinado 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 (PbSO₄), el negativo en plomo puro (Pb) y el electrolito en ácido sulfúrico diluido (H₂SO₄). Como este proceso de conversión está asociado a pérdidas, una batería sólo 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 estratificación del ácido

Si una batería se carga con una tensión demasiado baja, o si funciona siempre con una tensión demasiado baja (inferior al 80%), se produce la estratificación del ácido, también denominada estratificación. El ácido del electrolito se estratifica debido a una mezcla deficiente. Las distintas densidades provocan la estratificación del ácido sulfúrico en la parte inferior y del agua en la zona superior de la pila. Debido a esto, sólo la parte central del electrolito, es decir, sólo un tercio, se puede utilizar 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 un gran número de consumidores eléctricos. En este caso, el alternador no tiene tiempo suficiente para recargar la batería.

Una consecuencia de la estratificación del ácido es la sulfatación. Si esto ocurre en la batería, o si no se carga constantemente a un nivel adecuado, el sulfato de plomo (PbSO₄) cristaliza en los electrodos, para formar estructuras cristalinas más grandes con el paso del tiempo. Este proceso se conoce como "sulfatación". La cristalización impide la reconversión del sulfato de plomo en los componentes originales plomo u óxido de plomo, lo que provoca que no se acepte la carga y se reduzca la potencia de arranque en frío.

Los cristales afilados también pueden dañar los separadores o provocar cortocircuitos en las celdas.

Para contrarrestar este efecto y evitar el fallo prematuro de la batería, ésta nunca debe someterse a un nivel de carga bajo durante un periodo prolongado. Para ello, es aconsejable probar la batería con regularidad y cargarla por completo si es necesario.

¿Quieres saber más sobre este tema? Cómo cargar correctamente una batería.

Nuevas tecnologías de baterías: AGM e iones de litio

Hasta ahora, las baterías convencionales de plomo-ácido tenían una elevada cuota de mercado. Sin embargo, el mercado está cambiando rápidamente: Las innovadoras tecnologías de baterías para vehículos de arranque-parada, como AGM , utilizan ácido aglomerado en una estera para proporcionar una mayor estabilidad de ciclo y garantizar un rendimiento fiable en vehículos con mayores requisitos energéticos. Otra ventaja de la AGM: La estratificación del ácido ya no es posible debido al ácido ligado.
Una nueva generación de baterías de automóvil para vehículos microhíbridos funciona a 48 V y utiliza celdas con tecnología de iones de litio.