Causas de fallo de las baterías de plomo-ácido y sus métodos de reparación

Desde que el científico francés Gaston Planté inventó la batería de plomo-ácido en 1859, esta se ha utilizado ampliamente en el transporte, las comunicaciones, la energía, los ferrocarriles, la minería, los puertos, la defensa, la informática y la investigación científica debido a su alta seguridad, bajo costo y excelente reciclabilidad. Sigue siendo el tipo de batería más producido y versátil a nivel mundial.

Baterías de plomo-ácidoOfrecen diversas ventajas en sus aplicaciones: bajo precio, tecnología consolidada, excelente rendimiento a altas y bajas temperaturas, estabilidad, fiabilidad, alta seguridad y buena reciclabilidad de los recursos, lo que les confiere una clara ventaja competitiva. En 2020, el mercado chino de baterías de plomo-ácido alcanzó los 165 900 millones de yuanes, con un crecimiento interanual del 4,65 %.

A medida que aumenta la cuota de mercado, se han intensificado problemas como el consumo masivo de energía durante la producción y el reciclaje, además de los miles de millones de baterías desechadas anualmente que causan una grave contaminación ambiental. El mantenimiento y la reparación de baterías antiguas para aumentar su eficiencia y vida útil se han convertido en una prioridad mundial.

En los países occidentales desarrollados, decenas de miles de personas trabajan en el mantenimiento, la reparación y el reciclaje de baterías de plomo-ácido, generando miles de millones en ingresos anuales. Japón emplea a más de 100.000 personas en el sector, que también genera miles de millones.

En China, para promover la conservación de energía y la protección del medio ambiente, se impuso un impuesto al consumo del 4% sobre las baterías de plomo-ácido a partir del 1 de enero de 2016. La Política Técnica sobre Prevención de la Contaminación por Baterías Usadas, elaborada por la Administración Estatal de Protección Ambiental, la NDRC, el Ministerio de Construcción, el MOST y el MOFCOM, fomenta la I+D para un reciclaje eficiente, aumentando las tasas de recuperación de recursos.

Los expertos señalan que la degradación del rendimiento y las fallas prematuras se deben principalmente a la formación de cristales de sulfato de plomo en las placas durante el uso, lo que aumenta la resistencia interna y reduce la capacidad, acortando así su vida útil. Las técnicas probadas para reparar baterías de plomo-ácido prolongan su vida útil, reducen costos, reducen residuos como el plomo y el ácido sulfúrico diluido, disminuyen las emisiones de CO2 y conservan los recursos, en consonancia con el desarrollo sostenible.

En una era de creciente consumo de energía y contaminación por baterías, resolver la reutilización de residuos, prolongar la vida útil mediante tecnologías de reparación, reducir los descartes y promover estrategias sostenibles cobra una profunda importancia. Estas tecnologías convierten los residuos en un tesoro, se adaptan a las políticas nacionales, impulsan la economía, promueven el ahorro energético y la reducción de emisiones, y contribuyen a la protección del medio ambiente, con miras a una adopción más amplia.

Para comprender la reparación de baterías de plomo-ácido, primero hay que entender las causas de las fallas y luego abordar los métodos de reparación correspondientes.

FallaRazóns de baterías de plomo-ácido

Debido a las variaciones en los tipos de placas, la fabricación y el uso, las causas de falla difieren. Comúnrazóns incluye:

1. Corrosión y deformación de placas positivas

Las aleaciones actuales se dividen en tres categorías: plomo-antimonio tradicional (4-7 % de antimonio); antimonio bajo/ultrabaja (<2 % o <1 %, con estaño, cobre, cadmio y azufre); y plomo-calcio (0,06-0,1 % de calcio, con estaño y aluminio). Durante la carga, estas aleaciones de rejilla se oxidan a sulfato de plomo y PbO₂, lo que hace que los materiales activos pierdan su soporte y provoque fallos. Las capas de corrosión de PbO₂ inducen tensión, agrandando las rejillas; una deformación superior al 4 % destruye las placas, afloja los materiales activos o produce cortocircuitos en las barras colectoras.

2. Desprendimiento y ablandamiento de los materiales activos de la placa positiva

Además de la expansión de la red, los ciclos repetidos de carga y descarga aflojan los enlaces de las partículas de PbO₂, lo que provoca su ablandamiento y desprendimiento. La fabricación de la red, la estanqueidad del ensamblaje y las condiciones de carga y descarga influyen en este aspecto.

3. Sulfatación irreversible

La sobredescarga y el almacenamiento prolongado en estado descargado forman cristales gruesos de sulfato de plomo, difíciles de cargar, en las placas negativas. Los casos leves se recuperan con métodos; los graves inactivan los electrodos.

4. Pérdida prematura de capacidad

Con rejillas de bajo contenido de antimonio o de plomo-calcio, la capacidad disminuye drásticamente después de unos 20 ciclos, lo que provoca un fallo prematuro.

5. Acumulación grave de antimonio en materiales activos

El antimonio migra de las rejillas positivas a las superficies activas negativas durante los ciclos. Un sobrepotencial de reducción de H+ más bajo (~200 mV) en el antimonio acelera la descomposición del agua, lo que impide la carga normal y provoca fallos. Las pruebas muestran entre un 0,12 % y un 0,19 % de antimonio en superficies negativas defectuosas a una tensión de carga de 2,30 V. En las baterías submarinas, el exceso de hidrógeno se une al 0,4 % de antimonio promedio.

6. Fallo térmico

Para baterías de bajo mantenimiento, el voltaje de carga no debe superar los 2,4 V/celda. Los reguladores defectuosos pueden provocar picos de voltaje, sobrecalentar el electrolito, reducir la resistencia y amplificar la corriente en un ciclo descontrolado, deformando o agrietando la batería. Aunque es poco frecuente, controle el alto voltaje y el calor.

7. Corrosión de las barras colectoras negativas

Las rejillas y barras colectoras de negativos rara vez se corroen, pero en baterías selladas reguladas por válvulas, los ciclos de oxígeno llenan el espacio libre; el electrolito se filtra hacia las barras colectoras a través de las lengüetas, oxidando las aleaciones y convirtiéndolas en sulfato de plomo. Las soldaduras deficientes aceleran este proceso, desprendiendo las lengüetas y fallando los negativos.

8. Cortocircuitos por perforación del separador

Algunos separadores, como el PP, tienen poros grandes; los fusibles de fusión desplazados crean grandes agujeros, lo que permite que los materiales activos pasen durante los ciclos, lo que provoca microcortocircuitos y fallas.

Factores que afectan la vida útil de las baterías de plomo-ácido

Las fallas se deben a factores intrínsecos (composición del material activo, tipo de cristal, porosidad, tamaño de la placa, material/estructura de la rejilla) y extrínsecos (densidad de descarga, concentración/temperatura del electrolito, profundidad de descarga, mantenimiento, almacenamiento). Factores externos clave:

1. Profundidad de descarga

Este es el porcentaje de descarga que se alcanza antes de detenerse (100% = capacidad total). La vida útil varía considerablemente; las baterías de ciclo profundo son adecuadas para un uso poco frecuente, pero las de ciclo corto fallan rápidamente en ciclos profundos. Los enlaces de PbO₂ se debilitan debido a los cambios de volumen: la transformación de PbO₂ a PbSO₄ aumenta un 95% su volumen molar. Una descarga poco profunda (por ejemplo, del 20%) minimiza la expansión/contracción, lo que ralentiza la degradación; una descarga más profunda acorta los ciclos.

2. Alcance del sobrecargo

La excesiva generación de gas afecta a los materiales activos positivos, favoreciendo el desprendimiento; las aleaciones de la rejilla se corroen por oxidación anódica, reduciendo su vida útil.

3. Efectos de la temperatura

La vida útil generalmente aumenta con la temperatura hasta los 50 °C: de 5 a 6 ciclos por cada grado Celsius entre 10 y 35 °C; más de 25 ciclos por cada grado Celsius entre 35 y 45 °C. Por encima de los 50 °C, la sulfatación negativa reduce la capacidad. Las temperaturas más altas aumentan la capacidad, reduciendo la profundidad efectiva para la descarga fija y prolongando la vida útil.

4. Efectos de la concentración de ácido sulfúrico

Una mayor densidad favorece la capacidad positiva pero aumenta la autodescarga, la corrosión de la rejilla y el aflojamiento/desprendimiento de PbO2, acortando los ciclos.

5. Efectos de la densidad de corriente de descarga

Una mayor densidad reduce la vida útil al acelerar el aflojamiento del PbO2 en condiciones de alta corriente/ácido.

La pérdida de agua no es un fracasorazónPara baterías ventiladas (mantenimiento normal) o selladas (evitable). En baterías selladas de bicicletas eléctricas, se debe a una carga excesiva a voltaje constante.

Métodos de reparación para la pérdida prematura de capacidad (PCL)

(A) Características de la PCL

En baterías de rejilla con bajo contenido de antimonio o de plomo-calcio, la capacidad disminuye aproximadamente un 5 % por ciclo después de unos 20 ciclos, lo que provoca una falla prematura. Las baterías de plomo-calcio suelen presentar caídas inexplicables en algunas celdas; las celdas positivas no se suavizan, pero la capacidad es baja.

(B) Soluciones a las causas

1. Optimice el contenido de estaño de la placa positiva (1,5-2 % para ciclo profundo).
2. Aumentar la presión de ensamblaje.
3. Evitar un alto contenido de ácido electrolítico.

(C) Precauciones de uso

1. Evite corrientes de carga iniciales bajas y sostenidas.
2. Minimizar las descargas profundas.
3. Limitar el sobrecargo.
4. No aumente la capacidad mediante una alta utilización de material activo.

(D) Recuperación para baterías afectadas por PCL

Comience con una corriente de 0,3 °C a 0,5 °C y luego cargue lentamente hasta el máximo. Almacene las baterías cargadas a 40-60 °C; descargue a <0,05 °C hasta 0 V (descarga lenta después de alcanzar la mitad de la tensión nominal). Repita para restaurar la capacidad.

(E) Notas

Confirme la PCL en los primeros 20 ciclos; las caídas posteriores empeoran con este método, debilitando los positivos. En las baterías de plomo-calcio, el desequilibrio causado por los cargadores constantes de bajo voltaje causa problemas: la autodescarga desigual provoca una subcarga crónica en algunas celdas (sulfatación) y una sobrecarga en otras. Utilice cargadores multietapa con variación de corriente/voltaje, lo que resulta en una carga de equilibrio de alto voltaje y baja corriente.

Reparación por sobrecarga

La sobrecarga exige alta corriente/voltaje, lo que provoca reacciones secundarias, daños positivos y pérdida de agua. Un método eficaz y no dañino es la carga por pulsos: los pulsos de alta tensión/corriente superan la disminución de la aceptación sin reacciones prolongadas, aprovechando la despolarización (o ayudas) de la batería después del pulso. Esto permite una sobrecarga segura, con cargadores que han demostrado a lo largo de los años que prolongan considerablemente la vida útil.