piles électriques et accumulateurs - chimie.

piles électriques et accumulateurs - chimie. 1 PRÉSENTATION piles électriques et accumulateurs, 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 ( voir Oxydoréduction). 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. Voir aussi Pile à combustible. 2 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. 3 ACCUMULATEURS OU GÉNÉRATEURS SECONDAIRES 3.1 Accumulateurs 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 (voir Réaction chimique). 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. 3.2 Accumulateurs alcalins Ils existent sous deux formes : les accumulateurs au nickel-cadmium et les accumulateurs à l'argent-zinc. 3.2.1 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. 3.2.2 Accumulateurs à l'argent-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. 3.3 Applications des accumulateurs Les accumulateurs se rencontrent dans les principales applications suivantes : ils servent à alimenter électriquement les voitures, les poids lourds, les avions (batteries au plomb) : éclairage, allumage, démarrage, etc. ; on les utilise comme batteries stationnaires, assurant l'éclairage et le fonctionnement des appareils embarqués. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.