Les Batteries : Types, Fonctionnement et Applications

Une batterie est une série de cuves d'électrolyse utilisées pour générer un courant électrique continu ou direct. Il y a des cellules primaires et des cellules secondaires. Les cellules primaires, communément appelées piles, produisent de l'électricité dans un processus chimique irréversible et, lorsqu'elles sont épuisées, doivent être retirées et remplacées. Les cellules secondaires, communément appelées accumulateurs, fonctionnent selon un principe réversible et peuvent être rechargées en les connectant à des sources d'alimentation électrique adéquates.

Chaque cellule a deux électrodes plongées dans un électrolyte. L'électrolyte est une substance, souvent liquide, qui conduit l'électricité en raison de la dissociation d'un grand nombre d'ions. Ce sont des atomes qui ont perdu ou gagné des électrons et ont donc une charge électrique. Des exemples connus d'électrolytes sont des solutions d'acides, de bases et de sels.

Lorsque deux électrodes adéquates sont immergées dans un électrolyte, un excès d'électrons se produit sur une électrode (la négative) et un déficit d'électrons apparaît sur l'autre (la positive). Cette différence de charge électrique entre deux électrodes crée une différence de potentiel entre elles, ce qui peut générer un courant électrique à travers un circuit externe qui relie les deux électrodes. Le flux d'électrons se produit de l'électrode négative vers l'électrode positive, mais, par convention, pour des raisons historiques (il ne faut pas oublier que les électrons ont été découverts longtemps après l'invention des cellules d'électrolyse), il a été convenu que le courant conventionnel circule du positif vers le négatif.

Les Piles Primaires : Fonctionnement et Types

Certaines expériences au XVIIIe siècle ont conduit à la découverte que lorsque deux matériaux différents, tels que le zinc et le carbone (ou le cuivre, utilisé à la place du carbone), sont immergés dans une solution acide (par exemple, l'acide sulfurique dilué dans de l'eau), une action chimique produit une force électromotrice (f.é.m.) entre le zinc et le carbone. Les matériaux immergés dans l'acide sont appelés électrodes, le zinc étant l'électrode négative et le carbone (ou cuivre) l'électrode positive. La solution d'acide dilué est appelée électrolyte. L'ensemble est appelé pile. On confond souvent la pile avec la batterie, mais la pile est une unité de base, tandis que deux ou plusieurs piles constituent une batterie.

Les piles peuvent être humides ou sèches, selon que l'électrolyte est un liquide ou une pâte. La pile humide d'origine, appelée pile voltaïque, en hommage au scientifique italien Alessandro Volta (qui a créé la première pile avec des disques de zinc et de cuivre séparés par des couches de feutre imbibées d'acide dilué), contient des électrodes de zinc et de carbone (ou cuivre) immergées dans un électrolyte d'acide sulfurique. La pile sèche moderne, ou pile Leclanché, possède une électrode négative en zinc (qui forme le revêtement extérieur) et une électrode positive en carbone. L'électrolyte est une pâte épaisse, constituée d'un mélange de graphite, de chlorure d'ammonium et de dioxyde de manganèse. Ce type de pile est basé sur le modèle de Leclanché, inventé par le scientifique français Georges Leclanché.

Lorsqu'elle est connectée à un circuit externe, un courant électrique circule entre les bornes positive et négative. Dans la pile, l'électrode de zinc se dissout lentement pendant son fonctionnement. La corrosion du zinc peut entraîner la défaillance de la pile. Lorsque ce point est atteint, la pile a atteint la fin de sa vie utile. En d'autres termes, la pile primaire a une durée de vie limitée, après quoi son fonctionnement ne peut pas revenir à des conditions normales.

La Pile Zinc-Carbone (Leclanché)

La pile la plus populaire et la plus utilisée est la pile zinc-carbone, parfois appelée Leclanché. Dans cette pile, l'électrode positive est en carbone (C) et l'électrode négative en zinc (Zn). L'électrolyte est un produit chimique connu sous le nom de chlorure d'ammonium (NH₄Cl), souvent appelé sel d'ammoniac. L'électrode négative prend la forme du contenant et renferme toute la pile. L'élément positif est une tige de carbone placée au centre de la pile. L'électrolyte est mélangé avec de l'amidon ou de la farine pour former une pâte (c'est pourquoi une pile sèche n'est pas vraiment «sèche»). Lorsque l'électrolyte se dessèche, la pile cesse de fonctionner.

Lorsque la pile fonctionne correctement, une différence de potentiel (tension) de 1,6 volts apparaît entre les bornes positive et négative. Lorsque la pile est "usée", soit parce que l'électrolyte s'est asséché, soit parce que le zinc du boîtier s'est corrodé, la tension aux bornes diminue à environ 1,1 volts (en fin de décharge).

Ces piles sont inutilisables une fois déchargées pour la plupart des applications, ne peuvent pas être rechargées et doivent être jetées. Différentes combinaisons de métaux et d'électrolytes peuvent conduire à des tensions différentes entre les bornes.

Fonctionnement d'une Pile Zinc-Carbone

Connectons un fil conducteur entre les bornes d'une pile sèche au zinc-carbone. L'électrolyte (NH₄Cl) contient des ions ammonium (NH₄⁺) et des ions chlorure (Cl^-). Lorsque le zinc entre en contact avec l'électrolyte, des ions zinc (Zn²⁺) passent en solution, laissant deux électrons sur l'électrode négative. L'accumulation d'électrons crée une charge négative sur le zinc. Les ions Zn²⁺ en solution repoussent les ions ammonium (NH₄⁺) et les ions hydrogène positifs (H⁺), qui se collectent sur la surface de l'électrode de carbone sous forme de bulles de gaz. La perte d'électrons rend l'électrode de carbone positive. Les ions Zn²⁺ se combinent chimiquement avec les ions Cl^- pour former du chlorure de zinc (ZnCl₂), une substance blanche. Cette substance peut être observée lorsque les piles vieillissent. Le boîtier de zinc est progressivement consommé pour former le ZnCl₂ lors du fonctionnement de la pile.

Les électrons accumulés sur l'électrode de zinc se repoussent mutuellement. Cette répulsion, couplée à l'attraction de la charge positive sur l'électrode de carbone, résulte en la formation de la f.é.m. (force électromotrice) de la pile. Cette f.é.m. provoque un courant d'électrons entre les électrodes lorsqu'un circuit externe est établi.

Dans le processus, des bulles d'hydrogène s'accumulent sur la surface du carbone, et cela entrave et bloque l'action chimique. C'est ce qu'on appelle la polarisation. Pour l'éviter, du dioxyde de manganèse est ajouté à l'électrolyte ; il se combine avec l'hydrogène pour former de l'eau.

Pile Primaire Zinc-Oxyde de Mercure

Un autre type de pile primaire est la pile zinc-oxyde de mercure, inventée au milieu du XXe siècle. La pile se compose d'une électrode négative en poudre de zinc amalgamé ou en feuilles de carton ondulé, tandis que l'électrode positive est un mélange d'oxyde de mercure et de graphite, moulé sous pression. Les deux électrodes sont contenues dans un boîtier en acier. L'électrolyte est une solution d'hydroxyde de potassium et d'oxyde de zinc, et un matériau cellulosique est utilisé comme séparateur pour retenir l'électrolyte.

La tension nominale de cette pile (lorsqu'elle n'est pas utilisée) est de 1,34 volts, mais avec un débit normal de courant, la tension chute à des valeurs entre 1,31 et 1,24 volts. Comparée à la plupart des autres types de piles primaires, la pile zinc-oxyde de mercure présente des avantages, tels que la tension est pratiquement constante sur toute sa durée de vie (cycle de décharge), et sa capacité à fournir des électrons à l'électrode négative est plus élevée que celle de la pile zinc-carbone. Elle permet un courant relativement élevé, qui peut être maintenu pendant une période considérablement longue, et conserve ces avantages même à des températures élevées. Ces piles sont relativement coûteuses et leur application est principalement là où leur petite taille (12 à 25 mm de diamètre et quelques mm de hauteur) constitue un avantage.

Un avantage intéressant de cette pile est sa capacité à maintenir une tension constante sur toute sa durée de vie. Dans de nombreuses applications, la tension de cette pile est utilisée comme référence pour l'ajustement des instruments de mesure.

Les Accumulateurs (Piles Secondaires)

Les accumulateurs (ou piles secondaires) sont constitués d'ensembles de cellules secondaires. Une cellule secondaire peut se décharger, puis retrouver son état de charge complet si elle est traversée par un courant continu dans le sens opposé à la décharge. Ce processus peut être répété des centaines de fois avant que l'accumulateur ne s'épuise.

L'Accumulateur Plomb-Acide

La batterie de voiture, par exemple, se compose d'un ensemble d'accumulateurs au plomb. Chaque accumulateur contient deux plaques de plomb (Pb) qui prennent la forme de grilles pour augmenter la surface. Les alvéoles de la grille négative sont remplies de plomb spongieux, tandis que la grille positive est en dioxyde de plomb (PbO₂) ou peroxyde de plomb. Le plomb est l'électrode négative et le dioxyde de plomb est l'électrode positive. L'électrolyte est de l'acide sulfurique (H₂SO₄) mélangé avec de l'eau distillée (H₂O). L'ensemble des cellules secondaires, formé par une série de plaques alternées de plomb et de dioxyde de plomb, est immergé dans une solution d'acide sulfurique (H₂SO₄) dans l'eau distillée (H₂O), qui constitue l'électrolyte. Le plomb et le dioxyde de plomb réagissent avec l'acide sulfurique pour former du sulfate de plomb et de l'eau. Des ions hydrogène positifs et des ions sulfate négatifs sont libérés. Le sulfate de plomb est pratiquement insoluble dans l'électrolyte et forme un dépôt blanc sur les plaques. Lorsque les deux ensembles de plaques sont recouverts, l'accumulateur est déchargé, car il n'y a plus de différence de potentiel entre les plaques. Lorsqu'une alimentation externe en courant continu est appliquée pour les recharger, les ions hydrogène migrent vers les plaques négatives et les ions sulfate vers la borne positive. Le plomb spongieux se reforme sur les plaques négatives et le dioxyde de plomb sur les positives.

La tension nominale d'une cellule au plomb est d'environ 2,2 volts, et une batterie de voiture est généralement constituée de six cellules connectées en série afin d'obtenir douze volts aux bornes de la batterie. L'accumulateur plomb-acide est capable de fournir un courant extrêmement élevé, de plusieurs centaines d'ampères.

Charge et Décharge de l'Accumulateur Plomb-Acide

Analysons les phénomènes chimiques dans un accumulateur plomb-acide. Une fois complètement chargée, la plaque négative (électrode négative) est en plomb (Pb) et la plaque positive (électrode positive) en dioxyde de plomb (PbO₂). L'électrolyte est un mélange d'acide sulfurique et d'eau. Si nous branchons un fil entre le positif et le négatif, le courant passe et l'accumulateur commence à se décharger. Pendant la décharge, la teneur en acide de l'électrolyte diminue et du sulfate de plomb (PbSO₄) se dépose sur les deux plaques, positives et négatives. La quantité d'eau augmente donc. Ce processus continue jusqu'à ce que les deux électrodes contiennent un maximum de sulfate de plomb et que la densité de l'électrolyte soit très faible. À ce point, la f.é.m. entre les deux est minime.

L'accumulateur peut être rechargé en inversant le sens du courant de décharge. Cela se fait en reliant la borne positive de l'accumulateur à la borne positive du chargeur. Pendant le processus de chargement, le plomb se reforme sur la plaque négative et le dioxyde de plomb sur la positive. Le sulfate retourne à l'électrolyte et sa densité augmente. Pendant le chargement, de l'hydrogène et de l'oxygène se dégagent, et il est nécessaire d'ajouter de l'eau distillée à l'électrolyte pour remplacer ce qui a été perdu. C'est pourquoi de l'eau est ajoutée aux batteries de voiture deux ou trois fois par an.

La Pile Alcaline

La pile alcaline peut être primaire ou secondaire. Elle est ainsi nommée car elle utilise un électrolyte alcalin d'hydroxyde de potassium (KOH), avec une électrode négative en zinc (Zn) et une électrode positive en dioxyde de manganèse (MnO₂). Elle génère typiquement 1,5 volts.

L'Accumulateur Nickel-Cadmium (Ni-Cd)

L'accumulateur nickel-cadmium (Ni-Cd) est une pile sèche secondaire dont l'électrolyte est l'hydroxyde de potassium. L'électrode négative de l'accumulateur nickel-cadmium est l'hydroxyde de nickel, tandis que la positive est l'oxyde de cadmium.

La tension de fonctionnement nominale, dans des conditions normales, est de 1,25 volts et présente un effet mémoire très prononcé.

Les accumulateurs nickel-cadmium sont fabriqués dans une grande variété de tailles et formes, les plus populaires étant les types cylindriques, rectangulaires et "bouton". Dans le type à plaques frittées, les plaques sont disposées en groupes, reliées par des bandes soudées et séparées par des entretoises. Les groupes de plaques positives et négatives sont assemblés et placés dans un récipient en plastique.

Pendant le chargement et le déchargement d'un accumulateur nickel-cadmium, il n'y a pratiquement aucun changement dans la densité de l'électrolyte. L'électrolyte agit uniquement comme un conduit pour transférer les ions hydroxyde d'une électrode à l'autre, en fonction de l'état de charge de l'accumulateur.

L'accumulateur nickel-cadmium est une pile sèche avec une réaction chimique réellement réversible, qui peut être rechargée plusieurs fois. Il offre une résistance élevée et un service fiable face aux chocs, aux vibrations extrêmes et aux variations de température.

L'Accumulateur Edison (Nickel-Fer)

Il s'agit d'une cellule secondaire alcaline nickel-fer, utilisant un électrolyte d'hydroxyde de potassium (KOH). Il est beaucoup plus léger et plus durable que l'accumulateur plomb-acide. Il fonctionne normalement à 1,4 volts. Il possède une plaque positive en hydroxyde de nickel et une plaque négative en fer (Fe).

L'Accumulateur Nickel-Métal-Hydrure (Ni-MH)

Il utilise une électrode positive en hydroxyde de nickel et une électrode négative en alliage de métal-hydrure. Ces accumulateurs sont moins affectés par le dit effet mémoire. Le froid extrême réduit considérablement la puissance effective qu'ils peuvent fournir. La cellule fournit 1,2 volts et a un faible effet mémoire.

L'Accumulateur Lithium-Ion (Li-ion)

L'accumulateur lithium-ion (Li-ion) utilise une anode en graphite et une cathode en oxyde de cobalt, phosphate de fer et de lithium (LiFePO₄) ou oxyde de manganèse. Il ne supporte pas les décharges complètes ni les charges excessives. Il souffre très peu de l'effet mémoire, ce qui permet de le recharger sans qu'il soit complètement déchargé, sans perte de durée de vie. Il ne supporte pas bien les changements de température. Il fournit 3,2 volts.

Tension de Sortie des Batteries

Un fait intéressant concernant la force électromotrice (f.é.m.) générée par les piles, est que la tension de sortie d'une pile ou batterie dépend du type de matériaux utilisés, et non de ses dimensions.

Par exemple, toutes les piles zinc-carbone avec un électrolyte de chlorure d'ammonium fournissent une tension de 1,6 volts lorsqu'elles sont neuves. La différence entre elles réside dans le courant de sortie qu'elles peuvent fournir. La même chose est vraie pour les accumulateurs plomb-acide. Une petite unité d'entre eux, avec de petites plaques, donne une tension de sortie de 2,2 volts, tout comme une grande unité avec un grand nombre de plaques.

Courant de Sortie et Capacité des Batteries

Nous avons vu que si un fil est connecté entre les bornes positive et négative d'une pile ou batterie, le courant la traverse. Le fait que les électrons quittent la cellule et pénètrent le fil est à la base pour considérer la pile (ou batterie) comme source d'énergie. Tant que l'action chimique se poursuit, il y a fourniture d'électrons. La capacité d'une batterie à fournir des électrons est appelée sa capacité de courant. Le nombre maximum d'électrons fournis dépend de la quantité de matière active dans les électrodes, ainsi que de l'électrolyte. Cela explique pourquoi une grande batterie fournit plus de courant qu'une petite.

Lorsqu'elle est exprimée, la capacité d'une batterie (pratique très courante pour les accumulateurs) est donnée par le nombre maximal d'ampères qu'elle peut fournir pendant une heure. Ainsi, une batterie de 20 ampères-heures (Ah) est une batterie qui peut fournir un courant de 20 A pendant une heure, après quoi elle commence à se décharger.

Si le courant de décharge est inférieur à la pleine capacité, la batterie peut fournir ce courant pendant plus d'une heure. Par exemple, une batterie 20 Ah peut fournir 1 A pendant 20 h. De même, elle pourra fournir un courant proportionnellement plus important pendant un court laps de temps, par exemple, 100 A pour 0,2 h, soit 12 minutes. Le produit du courant en ampères et du temps en heures ne peut pas dépasser la capacité en ampères-heures d'une pile donnée.

En fin de compte, l'ampère-heure est une unité de mesure pour comparer les piles, et est utilisée comme mesure de la durée de vie d'une batterie avant de devoir la recharger.

Tension aux Bornes d'une Batterie

Une batterie est un générateur chimique de tension continue, et tous ses composants internes présentent une résistance au passage du courant. Dans une cellule chimique, la résistance de l'électrolyte entre les électrodes constitue la majeure partie de la résistance interne de la cellule.

Lorsque la batterie n'est pas connectée (en circuit ouvert), la tension ou différence de potentiel à ses bornes est sa tension maximale. C'est ce qu'on appelle la tension en circuit ouvert, la tension à vide ou la tension sans charge. Mais si un circuit est fermé aux bornes de la batterie, la batterie fournit du courant (I). Ce courant circule également à l'intérieur de la batterie, et ses composants doivent vaincre la résistance interne (Ri). Ainsi, la tension (V) à ses bornes est diminuée par la chute de potentiel (ou chute de tension) qui survient dans sa résistance interne. Par conséquent, la tension aux bornes d'une batterie ou d'un générateur est égale à sa f.é.m. (E) en circuit ouvert (qui est le maximum qu'elle peut fournir) moins la chute de tension due à sa résistance interne (I x Ri).

Connexion des Batteries en Série

Dans certaines circonstances, la tension produite par une seule pile suffit, mais parfois vous avez besoin de plus de tension. Ceci peut être réalisé en connectant plusieurs cellules (primaires ou secondaires) en série, en nombre suffisant pour atteindre la tension requise.

La f.é.m. (E) d'une combinaison de batteries en série est la somme des f.é.m. des batteries individuelles, et la résistance interne totale est la somme des résistances (Ri) de chaque pile.

La tension totale d'un ensemble de cellules connectées en série est la somme des tensions de chaque cellule.

Lorsque les batteries sont connectées en série, la borne positive de l'une est connectée à la borne négative de l'autre. Cela permet d'additionner toutes les tensions individuelles. Il n'est pas nécessaire que les batteries aient la même tension pour être connectées en série, mais elles doivent avoir la même capacité de courant.

Connexion des Batteries en Parallèle

Les batteries peuvent également être connectées en parallèle, mais cela ne peut être fait qu'avec des batteries ayant la même tension de sortie. Le but d'une connexion parallèle est d'augmenter la capacité de courant, car la connexion en parallèle est équivalente à une augmentation de la taille physique des électrodes et de la quantité d'électrolyte, ce qui augmente le courant disponible.

Connecter les batteries en parallèle ne modifie pas la tension. La tension finale de l'ensemble des batteries en parallèle est la même que celle d'une seule batterie.

Si des batteries de tensions inégales sont connectées en parallèle, un courant circulera entre elles en raison des différences de potentiel, ce qui entraînerait une consommation d'électricité inutile et potentiellement dangereuse.