Acumuladores de plomo

El acumulador de plomo elemental consiste en un recipiente lleno de una solución de ácido sulfúrico (SO₄H₂) como electrólito, donde se sumergen dos placas hechas de una malla muy fina de plomo, rellenas una con óxido de plomo (PbO₂) y otra de plomo (Pb) finamente dividido en forma esponjosa. La placa de óxido de plomo funciona como polo positivo del acumulador y la placa de plomo esponjoso como polo negativo y entre ellas hay una tensión nominal de 2 voltios.
Durante el proceso de descarga las dos placas van convirtiéndose en sulfato de plomo (SO₄ Pb) a cuenta del ácido sulfúrico del electrólito por lo que la concentración de este va disminuyendo, de esta forma una medición de la concentración de ácido en el electrólito da una indicación adecuada del estado de carga del acumulador. Como la densidad de las disoluciones de ácido sulfúrico en agua guarda una estrecha relación con el contenido de ácido, midiendo esta densidad se puede saber en que estado de carga está el acumulador, los aparatos que realizan esta medición se llaman densímetros y es común encontrar en el mercado estos densímetros ya calibrados especialmente para ese fin.
En el caso contrario, es decir la carga, se produce el proceso inverso se va formando óxido de plomo en la placa positiva y plomo esponjoso en la negativa. Químicamente estos procesos de carga y descarga podrían ser eternos si no se produjeran algunos efectos co-laterales que van reduciendo la capacidad de réplica de la carga y por tal motivo un acumulador de plomo tiene una vida limitada aunque larga (unos 1600 ciclos de carga en buenas condiciones de explotación).
Entre esos efectos colaterales está el desprendimiento y sedimentación de los materiales activos de las placas, que van a parar al fondo del recipiente y dejan de participar en la reacción química, otro efecto es el llamado sulfatación de las placas, lo que consiste en la formación de sulfato de plomo compacto (no esponjoso) sobre estas, este tipo de sulfato se convierte en material estable y no participa en el proceso químico del acumulador. También la fina malla de plomo soporte del material activo, con el uso prolongado va participando lentamente en los procesos químicos del acumulador y termina finalmente sin la resistencia mecánica suficiente para soportarse a si misma, por lo que se va cayendo por partes o se desprende de golpe arruinando de este modo al acumulador.
Cuando se piensa en un acumulador práctico hay muchos factores a tener en cuenta para su construcción, veamos algunos:

1.-Tamaño de las placas

A simple inspección podía pensarse que mientras mas grande es la placa mejor, ya que esta tendría mayor cantidad de material activo (mas capacidad) y además podía soportar sin calentarse mayor corriente, no obstante hay un límite práctico de tamaño debido a que como el plomo es un material pesado un placa muy grande pesaría mucho y se rompería con facilidad por su peso propio. La experiencia a demostrado que el tamaño óptimo está alrededor de los 150 -200 mm por lado.

2.-Cantidad de placas

El problema del tamaño de la placa se resuelve colocando varias placas paralelas separadas por un material aislante conectadas a un punto común, con esto se aumenta notablemente la capacidad de almacenamiento de corriente y los valores de la corriente que soporta el acumulador sin sufrir daños. De hecho este es el punto donde los fabricantes de acumuladores se mueven para lograr acumuladores de diferente capacidad y corriente máxima, no obstante también el peso juega un papel limitador pues muchas placas requerirían un soporte común mas complejo tecnológicamente.

3.- Distancia entre placas

Aquí como en todo hay un compromiso, si se alejan mucho las placas se aumenta notablemente el tamaño del acumulador, si es muy fino el material aislante, se corre el riesgo de que se rompa con la deformación de las placas durante el uso y entren en contacto, lo que produciría una auto descarga, además, las placas muy próximas contienen muy poco electrólito entre ellas por lo que en este caso, una descarga alta consumiría el ácido entre las placas y el acumulador se comportaría como si estuviera descargado en poco tiempo y sería necesario esperar unos minutos (para que el ácido se difunda) y poder lograr un nuevo suministro de potencia. Muchos conductores habrán notado que un acumulador que ya no mueve el motor después de un largo intento de arranque, se "recupera" un tanto si se deja pasar algunos minutos.

4.- Concentración de ácido en el electrólito

La cantidad de ácido en el electrólito debe ser mas alta que la químicamente necesaria para la reacción, a fin de que ya agotada esta, aún el electrólito sea conductor de la corriente (debido al ácido sobrante), no obstante también está comprometida en las dos direcciones, si es muy alta, la capacidad de suministrar corriente se eleva, pero a estas concentraciones resultan afectadas las mallas soportes de las placas y la vida del acumulador se reduce, si es muy baja (aunque sea suficiente para la conducción de la corriente) se corre el riesgo de que el electrólito se congele durante las heladas arruinando de hecho el acumulador .

Acumuladores prácticos

El esquema que sigue es una vista de un acumulador real seccionado mostrando sus detalles constructivos

En un acumulador comercial hay dos valores principales que lo caracterizan:

1.- Capacidad

La capacidad de un acumulador se define en Amperios/hora y no es mas que la cantidad de amperios de corriente que pueden extraerse durante una hora para agotar su capacidad.
Así tenemos que si un acumulador es de 35 Amp/hora quiere decir que de forma segura el fabricante garantiza que este puede suministrar 35 amperios de carga durante una hora hasta la descarga sin afectarlo.
Este es un valor convencional, y depende del régimen de descarga, de tal suerte que si la descarga es a rango de corriente mayor, la capacidad final será menor, y todo lo contrario si la descarga es a régimen de menor amperaje, así tenemos que a elevadas corrientes como cuando un acumulador alimenta un motor de arranque de un automóvil (asumimos 500 Amp) en pocos segundos quedará agotado, digamos unos 45 segundos, obsérvese que el producto de la corriente (500 Amp) por las horas (0.01horas) solo da 5 Amp/hora.
Este efecto es básicamente debido al agotamiento del ácido en el electrólito que está entre las placas (ver punto distancia entre placas)

2.-Corriente máxima

Como su nombre lo indica, la corriente máxima es el valor seguro que proporciona el fabricante para la máxima descarga breve (como al arrancar un automóvil) que puede sufrir el acumulador sin daño. Corrientes mayores que esta aunque soportables, son nocivas para el acumulador.

Trabajo del acumulador en ambiente muy frío.

La capacidad de producir potencia eléctrica de un acumulador de plomo se reduce con la disminución de la temperatura de este, así tenemos que si un acumulador puede producir su potencia nominal a 27⁰ Celsius, solo producirá el 46% de ella a -16⁰.