Capacidades de las baterías

Debido a que las baterías crean un flujo de corriente en un circuito mediante el intercambio de electrones en reacciones químicas iónicas, y a que hay un número limitado de moléculas en cualquier batería cargada disponibles para reaccionar, debe haber una cantidad limitada de carga total que cualquier batería puede motivar a través de un circuito antes de que se agoten sus reservas de energía. La capacidad de la batería podría medirse en términos de un número total de electrones, pero esto sería un número enorme. Podríamos utilizar la unidad del culombio (que equivale a 6,25 x 1018 electrones, o 6.250.000.000.000.000 de electrones) para que las cantidades fueran más prácticas de trabajar, pero en su lugar se creó una nueva unidad, el amperio-hora, para este fin. Como 1 amperio es en realidad un flujo de 1 culombio de electrones por segundo, y hay 3600 segundos en una hora, podemos establecer una proporción directa entre culombios y amperios-hora: 1 amperio-hora = 3600 culombios. ¿Por qué inventar una nueva unidad cuando una antigua habría servido perfectamente? Para complicaros la vida como estudiantes y técnicos, claro!

Aplicación de los amperios-hora para medir la capacidad de la batería

Una batería con una capacidad de 1 amperio-hora debería poder suministrar continuamente una corriente de 1 amperio a una carga durante exactamente 1 hora, o 2 amperios durante 1/2 hora, o 1/3 de amperio durante 3 horas, etc., antes de descargarse completamente. En una batería ideal, esta relación entre la corriente continua y el tiempo de descarga es estable y absoluta, pero las baterías reales no se comportan exactamente como indicaría esta simple fórmula lineal. Por lo tanto, cuando se indica la capacidad en amperios-hora de una batería, ésta se especifica con una corriente y un tiempo determinados, o se supone que está clasificada para un periodo de tiempo de 8 horas (si no se indica ningún factor limitante).

Por ejemplo, una batería media de automóvil puede tener una capacidad de unos 70 amperios-hora, especificada con una corriente de 3,5 amperios. Esto significa que el tiempo que esta batería podría suministrar continuamente una corriente de 3,5 amperios a una carga sería de 20 horas (70 amperios-hora / 3,5 amperios). Pero supongamos que a esa batería se conectara una carga de menor resistencia que consumiera 70 amperios de forma continua. Nuestra ecuación de amperios-hora nos dice que la batería debería aguantar exactamente 1 hora (70 amperios-hora / 70 amperios), pero esto podría no ser cierto en la vida real. Con corrientes más altas, la batería disipará más calor a través de su resistencia interna, lo que tiene el efecto de alterar las reacciones químicas que tienen lugar en su interior. Lo más probable es que la batería se descargue completamente algún tiempo antes del tiempo calculado de 1 hora bajo esta mayor carga.

A la inversa, si se conectara a la batería una carga muy ligera (1 mA), nuestra ecuación nos diría que la batería debería proporcionar energía durante 70.000 horas, o algo menos de 8 años (70 amperios-hora / 1 miliamperio), pero lo más probable es que gran parte de la energía química de una batería real se haya agotado debido a otros factores (evaporación del electrolito, deterioro de los electrodos, corriente de fuga dentro de la batería) mucho antes de que hayan transcurrido 8 años. Por lo tanto, debemos tomar la relación de amperios-hora como una aproximación ideal de la vida de la batería, el índice de amperios-hora sólo es fiable cerca de la corriente especificada o el tiempo dado por el fabricante. Algunos fabricantes proporcionan factores de reducción de amperios-hora que especifican las reducciones de la capacidad total a diferentes niveles de corriente y/o temperatura.

Para las celdas secundarias, el índice de amperios-hora proporciona una regla para el tiempo de carga necesario a cualquier nivel de corriente de carga. Por ejemplo, la batería de automóvil de 70 amperios-hora del ejemplo anterior debería tardar 10 horas en cargarse desde un estado totalmente descargado a una corriente de carga constante de 7 amperios (70 amperios-hora / 7 amperios).

Aquí se indican las capacidades aproximadas en amperios-hora de algunas baterías comunes:

• Batería de automóvil típica: 70 amperios-hora @ 3,5 A (celda secundaria)
• Batería de carbono-zinc de tamaño D: 4.5 amperios-hora @ 100 mA (celda primaria)
• Batería de carbono-zinc de 9 voltios: 400 miliamperios-hora @ 8 mA (celda primaria)

¿Cómo comprobar el estado de la batería – con y sin carga?

Cuando una batería se descarga, no sólo disminuye su almacén interno de energía, sino que también aumenta su resistencia interna (ya que el electrolito se vuelve cada vez menos conductor), y su tensión de célula en circuito abierto disminuye (ya que los productos químicos se diluyen cada vez más). El cambio más engañoso que presenta una batería en descarga es el aumento de la resistencia. La mejor comprobación del estado de una batería es una medición de la tensión bajo carga, mientras la batería suministra una corriente considerable a través de un circuito. De lo contrario, una simple comprobación del voltímetro a través de los bornes puede indicar falsamente que la batería está sana (tensión adecuada) aunque la resistencia interna haya aumentado considerablemente. Lo que constituye una «corriente sustancial» viene determinado por los parámetros de diseño de la batería. Una comprobación del voltímetro para revelar un voltaje demasiado bajo, por supuesto, indicaría positivamente una batería descargada:

Batería totalmente cargada:



Ahora, si la batería se descarga un poco . .



. . y se descarga un poco más…



. . y un poco más hasta que se muera.



Nota que el verdadero estado de la batería se revela mucho mejor cuando se comprueba su voltaje bajo carga en lugar de sin carga. ¿Significa esto que no tiene sentido comprobar una batería sólo con un voltímetro (sin carga)? Pues no. Si una simple comprobación del voltímetro revela sólo 7,5 voltios para una batería de 13,2 voltios, entonces sabe sin duda que está muerta. Sin embargo, si el voltímetro indicara 12,5 voltios, podría estar casi cargada o algo agotada; no podría saberlo sin una comprobación de la carga. Tenga en cuenta también que la resistencia utilizada para poner una batería bajo carga debe estar dimensionada para la cantidad de energía que se espera disipar. Para comprobar baterías de gran tamaño, como una batería de plomo-ácido de automóvil (12 voltios nominales), esto puede significar una resistencia con una potencia nominal de varios cientos de vatios.

REVISIÓN:

• El amperio-hora es una unidad de capacidad de energía de la batería, igual a la cantidad de corriente continua multiplicada por el tiempo de descarga, que una batería puede suministrar antes de agotar su almacén interno de energía química.



• La clasificación de amperios-hora de una batería es sólo una aproximación a la capacidad de carga de la misma y sólo debe confiarse en el nivel de corriente o el tiempo especificado por el fabricante. Dicha clasificación no puede extrapolarse para corrientes muy altas o tiempos muy largos con ninguna precisión.
• Las baterías descargadas pierden tensión y aumentan su resistencia. La mejor comprobación de una batería agotada es una prueba de tensión bajo carga.

Hojas de trabajo relacionadas:

• Hoja de trabajo de las baterías
• Hoja de trabajo del uso básico del voltímetro
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