Piles et accumulateurs:

Les piles et accumulateurs sont des dispositifs qui fournissent de l'énergie électrique à partir d'énergie chimique. Ce sont des générateurs électrochimiques. Ils sont constitués d'un électrolyte dans lequel baigne deux électrodes : une électrode positive (anode) et une électrode négative (cathode). L'électrolyte est un conducteur ionique. Sur la cathode, un oxydant est réduit en captant des électrons ; sur l'anode, un réducteur est oxydé en libérant des électrons. Si l'on relie les électrodes par un conducteur, comme un fil électrique, il y passe un courant électrique.

Les piles électriques, que l'on appelle également « piles », ou générateurs primaires, déchargent leur énergie électrique sans pouvoir reconstituer le produit chimique sous sa forme originale. La réaction chimique qui se déroule au sein de telles piles est donc irréversible. Les accumulateurs, ou générateurs secondaires, sont rechargeables : ils peuvent reconstituer le composé chimique si on leur apporte de l'énergie électrique extérieure, avec un courant de sens opposé au courant de charge.

PILES ÉLECTRIQUES OU GÉNÉRATEURS PRIMAIRES

La forme la plus commune des générateurs primaires est la pile Leclanché, ou pile au bioxyde de manganèse-zinc, inventée par le chimiste français Georges Leclanché dans les années 1870. L'électrolyte est un mélange à base de chlorure d'ammonium et de chlorure de zinc. L'électrode négative soluble est constituée de zinc ; l'électrode positive est une plaque de charbon de cornue entourée d'un mélange de bioxyde de manganèse. Cette pile a une force électromotrice de 1,5 V et débite des courants de faible intensité. Elle existe sous quatre formes commerciales : trois piles cylindriques de diamètre différent et une pile plate de 4,5 V. La pile Leclanché a été améliorée, en particulier par Féry. On a ensuite construit des piles à liquide immobilisé par une substance absorbante, ou piles sèches, que l'on utilise beaucoup actuellement.

Parmi les générateurs primaires les plus employés, on peut également citer la pile alcaline à l'oxyde de mercure-zinc, introduite pendant la Seconde Guerre mondiale. Elle peut être fabriquée sous la forme d'un petit disque, et est utilisée sous cette forme dans les prothèses auditives et en photographie. L'électrode négative est constituée de zinc, l'électrode positive, d'oxyde de mercure, et l'électrolyte est une solution d'hydroxyde de potassium.

De nombreuses recherches sont menées pour améliorer la fiabilité, la durée de vie et l'énergie massique de ces piles. On étudie en particulier les piles au lithium, les piles zinc-air et les piles à électrolyte organique ou solide.

ACCUMULATEURS OU GÉNÉRATEURS SECONDAIRES

Accumulateur au plomb

Inventé en 1859 par le physicien français Gaston Planté, l'accumulateur emmagasine de l'énergie qu'il restitue selon les besoins. Il peut être rechargé lorsque l'on inverse la réaction chimique ; c'est ce qui le différencie des piles électriques. L'accumulateur découvert par Planté était un accumulateur au plomb, ou batterie au plomb, toujours très utilisé aujourd'hui. Il est constitué d'un empilage d'électrodes positives, de séparateurs et d'électrodes négatives placés dans un bac couvert. Il peut délivrer un courant électrique intense (de 100 à 500 A), mais se décharge rapidement.

L'électrolyte est une solution diluée d'acide sulfurique, l'électrode négative est une plaque remplie de plomb « spongieux » ; l'électrode positive est une plaque contenant une pâte d'oxyde de plomb. Les séparateurs sont des feuilles rectangulaires, placées entre les plaques positives et les plaques négatives. Elles doivent, entre autres :

- être constituées d'un isolant parfait ;
- avoir une grande perméabilité aux ions porteurs du courant ;
- avoir une porosité élevée ;
- présenter une bonne tenue à l'acide sulfurique.

En fonctionnement, l'électrode négative au plomb produit des électrons libres et des cations (ions positifs) de plomb. Les électrons parcourent le circuit électrique extérieur et les cations de plomb se combinent avec les anions (ions négatifs) sulfates dans l'électrolyte, pour former le sulfate de plomb. Lorsque les électrons retournent dans la cellule par l'électrode positive, une nouvelle réaction a lieu. L'oxyde de plomb se combine avec les ions hydrogène dans l'électrolyte et avec les électrons pénétrant dans la cellule pour former de l'eau et libère des cations de plomb dans l'électrolyte pour former du sulfate de plomb.

Une batterie au plomb se décharge lorsque l'acide sulfurique se transforme progressivement dans l'eau et que les électrodes se transforment en sulfate de plomb. Lorsque la cellule est rechargée, les réactions chimiques décrites précédemment s'inversent jusqu'à ce que les produits chimiques aient retrouvé leur état originel. Une batterie au plomb a une durée de vie utile d'environ quatre ans. La capacité de l'accumulateur est le produit de l'intensité de décharge par la durée de fonctionnement ; elle s'exprime en Ah et correspond à la quantité d'électricité que le dispositif peut restituer. On définit également la capacité massique de l'accumulateur : c'est la capacité de l'accumulateur par kilogramme de réactif chimique utilisé. Les batteries au plomb les plus performantes fournissent environ 30 Ah/kg, et de 40 à 45 Wh/kg (énergie massique), lors d'une décharge totale durant cinq heures. Aux basses températures (inférieures à - 18 °C), la capacité d'un accumulateur diminue.

Accumulateur alcalins

Ils existent sous deux formes : les accumulateurs au nickel-cadmium et les accumulateurs à l'argent-zinc.
Accumulateurs au nickel-cadmium et au nickel-fer:
Ils résultent des travaux de l'Américain Thomas Edison et de différents scientifiques français dans les années 1900. Le principe de fonctionnement de ces accumulateurs est analogue à celui de la batterie au plomb. Les seules différences : les électrodes sont des plaques d'hydrate de nickel et de cadmium, ou d'hydrate de nickel et de fer ; l'électrolyte est une solution d'hydroxyde de potassium (potasse), qui sert uniquement à assurer le transfert des ions. La tension aux bornes de ces accumulateurs est de 1,25 V. Ils débitent des courants de grande intensité, mais ont une durée de vie assez courte.

Accumulateurs à l'agent-zinc:
Ils ont été mis au point en 1941, par H. André. L'électrolyte est une solution de potasse dans laquelle plongent l'électrode positive, essentiellement en oxyde d'argent, et une électrode négative à base de zinc. Aux bornes de ces accumulateurs, on mesure une tension de 1,5 V. Ils ont une énergie massique de 120 Wh/kg, soit 3 fois celle des accumulateurs précédents. Cependant, en raison de leur coût élevé, on les utilise pour des applications spécifiques.

La capacité s'exprime en Ampère x heure (Ah).

La quantité de courant s'exprime en coulomb (C).
1 Coulomb = 1 ampère x 1 seconde soit Q = I x t et 1 Ah = 3600 C.

La quantité de courant libérée ou absorbée dans une réaction chimique pour une valence gramme est de 96500 coulombs (Loi de Faraday).
Soit: 96500 / 3600 = 26,8 Ah
Valence gramme = masse atomique (gr) / nombre d'électron participant à la réaction
Capacité massique (théorique) = 26,8 Ah / valence gramme = Ah par gramme.

Unités:
FEM : Force électromotrice (Volts)
Energie: Watt heure
Capacité: Ampère heure

La valeur de la tension est donnée par la formule suivante:
FEM = Energié libérée / Capacité
Sachant que 1 Watt = 1 Ampère x 1 Volt
FEM = Wh / Ah = Volts

Le processus de décharge

Pendant la décharge, la batterie est génératrice et débite du courant dans le moteur de traction. Pour permettre l’apparition d’un courant électrique, il est nécessaire que les électrons et les ions puissent circuler ; un récepteur va permettre la liaison entre l’électrode + et l’électrode -.

Le principe de fonctionnement pendant la décharge est le suivant : le galvanomètre joue le rôle du récepteur et le déplacement de son aiguille prouve le passage du courant... La batterie se décharge... Il est rappelé que l’intensité est proportionnelle à la quantité d’électrons déplacés et à la quantité de matière mise en oeuvre. Une batterie chargée possède un excès d’électrons à sa plaque négative et un manque d’électrons à sa plaque positive. Lorsque les deux plaques possèdent le même nombre d’électrons, la batterie ne débite plus de courant (on dit qu’elle est " à plat ").

Le processus de charge

Pendant la charge, la batterie est réceptrice du courant fourni par le secteur. Le procédé est l’inverse de la décharge. Un générateur de courant (dynamo, chargeur) est placé aux bornes des électrodes et débite en sens inverse dans le système. Il va permettre de déplacer les électrons de la plaque positive vers la plaque négative et redonner à la batterie son état initial.

Pendant la charge, le courant circule en sens inverse. Le galvanomètre dévie dans le sens inverse à celui de la recharge. L’intensité et la quantité de matière déplacée est toujours proportionnelle au nombre d’électrons en mouvement. Lorsque la plaque négative est en excès d’électrons, la batterie est rechargée. L’utilisation du générateur électrochimique s’effectue en deux phases, la charge et la décharge. À l’intérieur de la batterie, l’énergie chimique se manifeste par un transfert de matière grâce à une circulation d’ions. À l’extérieur de la batterie, l’énergie électrique se manifeste par un déplacement d’électrons. La réaction chimique fait apparaître deux autres phénomènes gênants : un dégagement de gaz et une montée en température.