Como FUNCIONAN las BATERÍAS de CARRO⚡[Detallado]

Baterías de Plomo-Ácido: Funcionamiento y Principios

Key Concepts:

• Batería de plomo-ácido: Dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica en forma química.
• Potencial de extracción (función de trabajo): Energía necesaria para extraer un electrón de la superficie de un metal.
• Pila voltaica: Primera batería, inventada por Alessandro Volta, que consta de dos electrodos (cobre y zinc) en una solución salina.
• Electrodos: Placas de dióxido de plomo (PbO2) y plomo (Pb) en una batería de plomo-ácido.
• Electrolito: Solución ácida de agua (65%) y ácido sulfúrico (H2SO4) (35%) en una batería de plomo-ácido.
• Oxidación-reducción (redox): Proceso químico fundamental en el funcionamiento de la batería.
• Ánodo: Electrodo donde ocurre la oxidación (pérdida de electrones).
• Cátodo: Electrodo donde ocurre la reducción (ganancia de electrones).
• Densidad del electrolito: Medida de la concentración de ácido sulfúrico en el electrolito, indicativa del estado de carga de la batería.
• Amperio-hora (Ah): Unidad de medida de la energía almacenable en una batería.

Fundamentos de la Batería de Plomo-Ácido

La batería de plomo-ácido almacena energía eléctrica en forma de energía química, liberándola cuando se requiere. El funcionamiento se basa en la diferencia de potencial de extracción entre dos metales.

• Potencial de Extracción: Los metales como el zinc (Zn) tienen electrones libres que se mueven aleatoriamente. Para extraer un electrón, se necesita una energía llamada potencial de extracción o función de trabajo. El cobre (Cu) tiene un mayor potencial de extracción que el zinc (aproximadamente 1 voltio de diferencia).
• Flujo de Electrones: Al juntar zinc y cobre, los electrones fluyen del zinc (menor potencial de extracción) al cobre (mayor potencial de extracción). Al separarlos, el zinc queda cargado positivamente (pierde electrones) y el cobre negativamente (gana electrones).

La Pila Voltaica

La pila voltaica, inventada por Alessandro Volta en 1799, es un precursor de la batería moderna.

• Componentes: Dos electrodos (cobre y zinc) separados por una solución salina. Se utilizan materiales como madera, cartón, arcilla o tela para evitar cortocircuitos entre los metales.
• Funcionamiento: Al conectar los metales, los electrones fluyen del zinc al cobre debido a la diferencia en sus potenciales de extracción, generando una corriente eléctrica. Este proceso se conoce como oxidación-reducción.

Proceso de Descarga de la Batería de Plomo-Ácido

La batería de plomo-ácido consta de dos electrodos: una placa de dióxido de plomo (PbO2) y otra de plomo (Pb), sumergidas en un electrolito de agua (65%) y ácido sulfúrico (H2SO4) (35%). La diferencia de potencial entre las placas es de 2.12 voltios.

• Reacciones Químicas: Durante la descarga, la molécula de ácido sulfúrico se divide en iones. El ion sulfato (SO4^2-) provee electrones a la placa de plomo, y el ion hidrógeno (H+) los recepciona.
• Ánodo (Oxidación): En la placa negativa (ánodo), el plomo (Pb) reacciona con el ion sulfato (SO4^2-) formando sulfato de plomo (PbSO4) y liberando 2 electrones.
  • Pb + SO4^2- -> PbSO4 + 2e-
• Cátodo (Reducción): En la placa positiva (cátodo), el dióxido de plomo (PbO2) reacciona con el ion hidrógeno (H+) y recepciona 2 electrones, formando óxido de plomo (PbO) y agua (H2O). El óxido de plomo reacciona con el ácido sulfúrico formando sulfato de plomo y agua.
  • PbO2 + H+ + 2e- -> PbO + H2O
  • PbO + H2SO4 -> PbSO4 + H2O
• Cambios en el Electrolito: A medida que la batería se descarga, la concentración de ácido sulfúrico disminuye y la concentración de agua aumenta, lo que se refleja en una caída de la densidad del electrolito.
  • Batería cargada: Densidad del electrolito = 1.28 g/cm³
  • Batería descargada: Densidad del electrolito = 1.13 g/cm³

Proceso de Carga de la Batería de Plomo-Ácido

El proceso de carga, realizado por el alternador, invierte las reacciones químicas de la descarga.

• Flujo de Corriente: La corriente fluye en sentido contrario al proceso de descarga.
• Ánodo (Oxidación): En la placa positiva (ánodo), el sulfato de plomo (PbSO4) reacciona con el agua (H2O) y el ion sulfato (SO4^2-) formando dióxido de plomo (PbO2) y liberando 2 electrones.
  • PbSO4 + H2O -> PbO2 + SO4^2- + 2e-
• Cátodo (Reducción): En la placa negativa (cátodo), el sulfato de plomo (PbSO4) reacciona con el hidrógeno (H+) recepcionando dos electrones y formando plomo (Pb) y ácido sulfúrico (H2SO4).
  • PbSO4 + H+ + 2e- -> Pb + H2SO4
• Restauración del Electrolito: El sulfato de plomo desaparece y la concentración de ácido sulfúrico aumenta, volviendo al estado inicial de la batería completamente cargada.

Construcción de Baterías de Mayor Voltaje y Capacidad

• Voltaje: Para obtener un voltaje mayor, como 12 voltios, se conectan varias celdas (de 2.12 voltios cada una) en serie. Seis celdas en serie proporcionan 12.72 voltios.
• Capacidad (Amperio-Hora): La energía almacenable depende de la superficie de las placas. Para aumentar la capacidad, se colocan varias placas en paralelo. Se utilizan separadores microporosos permeables al electrolito para evitar cortocircuitos.
• Amperio-Hora (Ah): Indica la cantidad de corriente que la batería puede suministrar durante un tiempo determinado antes de que el voltaje caiga por debajo de 1.75 voltios por celda. Por ejemplo, una batería de 80 Ah puede proporcionar 4 amperios durante 20 horas, 8 amperios durante 10 horas o 10 amperios durante 8 horas. El producto de la corriente y el tiempo debe ser igual a 80 Ah.

Conclusión

La batería de plomo-ácido funciona mediante reacciones de oxidación-reducción entre placas de plomo y dióxido de plomo en un electrolito de ácido sulfúrico. La descarga y carga implican la conversión entre energía química y eléctrica, con cambios en la concentración del electrolito. El voltaje se aumenta conectando celdas en serie, y la capacidad se incrementa aumentando la superficie de las placas en paralelo. La densidad del electrolito es un indicador clave del estado de carga de la batería, y la capacidad se mide en amperios-hora.