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

La función tradicional de la batería del compartimento del motor es bien conocida: sin la batería no se puede arrancar el vehículo. Además del motor de arranque, las bujías húmedas, las bujías incandescentes, las luces y las aplicaciones electrónicas necesitan energía eléctrica. Pero ¿cómo está construida una batería y cómo funciona?

 

Baterías de plomo-ácido: componentes y estructura

 

Muchos conductores se dan cuenta de lo que pesa una batería de coche cuando compran una nueva. Las baterías pueden pesar entre 10,5 y 30 kg. Esto se debe a las placas de plomo que contienen 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 con carga positiva (material activo) es de óxido de plomo (PbO₂) y está sumergida en un electrolito.
• Rejilla positiva: la rejilla positiva está hecha de una aleación de plomo y sirve para albergar el material activo y como colector de corriente.

 

Electrodo negativo:

• Placa negativa: la placa con carga negativa (material activo) es de plomo puro (Pb) y también está sumergida en un electrolito.
• Rejilla negativa: al igual que la rejilla positiva, está hecha de una aleación de plomo y su finalidad es la misma.

Los electrodos de distinta carga están separados por una bolsa separadora.

 

El electrolito es una mezcla de ácido sulfúrico (H₂SO₄) y agua destilada. Puede ser líquido (como en las baterías húmedas convencionales o en la tecnología EFB optimizada), gel o estar retenido en una fibra 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. Un conjunto de placas negativas y un conjunto de placas positivas conforman un bloque de placas. Un bloque de placas es una celda de la batería.

Una batería de arranque convencional consta de seis celdas conectadas en serie con una tensión nominal de 2 V cada una, lo que equivale a una tensión exacta de 12,72 V cuando la batería está totalmente cargada. La capacidad y la potencia de arranque en frío de una batería dependen del número de placas que haya en cada celda.

Regla de oro: cuantas más placas tiene una celda y, por lo tanto, mayor es la superficie que forman, mayor es la potencia de arranque en frío (CCA) que puede suministrar la batería. No obstante, si el espacio dentro de la celda se utiliza para menos placas pero más gruesas, la resistencia a los ciclos aumenta. Esto quiere decir que la batería está diseñada para un rendimiento de carga más elevado (proceso de carga y descarga continua).

Las celdas están dentro de una carcasa de plástico resistente a los ácidos (polipropileno). En una batería SLI convencional, la carcasa está cerrada con una tapa con un sistema tipo laberinto que impide que el líquido se salga de la batería y separa el líquido del gas.

Las primeras baterías tenían tapones roscados que permitían llenarlas de agua destilada. Las baterías actuales no necesitan ningún mantenimiento. No hace falta, ni se debe, llenar la batería con agua. Aunque las baterías AGM siguen teniendo «tapones de una vía», estos no se deben abrir en ningún caso.

 

Función de las baterías de coche: la energía química se transforma en energía eléctrica

La baterías de coche almacenan energía química y la convierten en energía eléctrica. Cuatro sustancias reaccionan entre sí durante este proceso electroquímico:

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

La conexión de un consumidor externo desencadena la reacción química que se produce en el interior de 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^–) se desplazan del electrodo negativo al positivo a través del consumidor externo.
• Para compensar este flujo de electrones, los iones de sulfato se desplazan del electrolito al electrodo negativo, donde reaccionan con el plomo (Pb), generando sulfato de plomo (PbSO₄).
• En el electrodo positivo también se genera sulfato de plomo: la unión del oxígeno (O₂) en el óxido de plomo (PbO₂) se rompe debido a la transferencia de electrones, y el oxígeno penetra en el electrolito. El plomo sobrante (Pb) se une con el sulfato (SO₄) del electrolito.
• En el electrolito, el oxígeno se une con el hidrógeno para formar agua (H₂O). A medida que se consume el ácido sulfúrico por la formación de sulfato de plomo, la concentración de la solución de electrolito disminuye. Cuando la concentración de ácido sulfúrico cae por debajo de un determinado nivel, hay que recargar la batería.
• Durante la carga de la batería, estos procesos químicos se producen a la inversa. Al final se restituyen los elementos originales: el electrodo positivo es sulfato de plomo (PbSO₄), el electrodo negativo es plomo puro (Pb) y el electrolito es ácido sulfúrico diluido (H₂SO₄).
  Puesto que este proceso de transformación conlleva pérdidas, la batería solo es capaz de soportar un número limitado de ciclos de carga. Por lo tanto, su vida útil es limitada.

Problemas de las baterías de plomo-ácido: sulfatación y estratificación del ácido

 

Si una batería se carga con una tensión demasiado baja, o si siempre funciona con una tensión demasiado baja (por debajo del 80 %), se produce la estratificación del ácido. El ácido del electrolito se estratifica debido a una mezcla deficiente. Las distintas densidades provocan la estratificación del ácido sulfúrico en la parte inferior de la batería y del agua en la parte superior. Como consecuencia, solo la parte intermedia del electrolito, es decir, un tercio de este, puede emplearse para el proceso de carga y descarga.

Una posible causa de la estratificación del ácido es el predominio de los trayectos cortos con el coche, unido al uso de una gran cantidad de consumidores eléctricos. Si este es el caso, el alternador no dispone de suficiente tiempo para recargar la batería.

Una de las consecuencias de la estratificación del ácido es la sulfatación. Si esto ocurre en la batería, o si esta no se carga de forma constante hasta un nivel suficiente, el sulfato de plomo (PbSO₄) cristaliza en los electrodos, formando estructuras de cristales más grandes con el paso del tiempo. Este proceso se conoce como «sulfatación». La cristalización impide que el sulfato de plomo vuelva a convertirse en sus componentes originarios, plomo o dióxido de plomo, impidiendo la aceptación de la carga y reduciendo la potencia de arranque en frío.

Por otro lado, los punzantes cristales pueden causar daños en los separadores o cortocircuitos en las celdas.

Para contrarrestar este efecto y evitar el fallo prematuro de la batería, esta nunca debe mantenerse en un nivel bajo de carga durante un periodo de tiempo prolongado. A tal fin, es recomendable revisar la batería con frecuencia y cargarla completamente si es necesario.

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

 

Nuevas tecnologías de baterías: AGM e ion-litio

Hasta ahora, las baterías de plomo-ácido han tenido una gran cuota de mercado. Pero el mercado está cambiando rápidamente: las tecnologías de baterías innovadoras para vehículos start-stop como la AGM emplean ácido, que está retenido en una malla, para proporcionar una mayor resistencia a los ciclos y garantizar un rendimiento fiable en vehículos con una alta demanda de energía. Otra ventaja de la tecnología AGM: el ácido no puede estratificarse gracias a la retención del ácido.
Una nueva generación de baterías de coche para vehículos microhíbridos funciona a 48 V y emplea celdas con tecnología de ion-litio.