la-batterie-du-cciste

Rappel :

Un élément d'accumulateur au plomb est composé de deux électrodes, une plaque de dioxyde de plomb appelé anode (ou cathode) et une plaque de plomb appelé cathode (ou anode), et d'un séparateur micro poreux, l'ensemble baignant dans une solution d'acide sulfurique .

Par réaction chimique, une différence de potentiel d'environ 2 volts apparaît aux bornes de ce générateur élémentaire : un accumulateur de 2 volts est l'unité de base d'une batterie au plomb .

En reliant une charge entre ses deux bornes, un courant électrique s'établit circulant de l'anode vers la cathode .

Un élément d'accumulateur est un générateur réversible : en charge, l'électrode positive est l'anode et l'électrode négative est la cathode et en décharge, l'électrode positive devient cathode alors que l'électrode négative devient l'anode .

(voir chapitre  Historique et théorie  ) .

Principe de fonctionnement d'une batterie :

De tension nominale d'environ 2 Volts, un accumulateur au plomb est rarement utilisé seul mais est constitué de plusieurs générateurs élémentaires, regroupés en série et/ou en parallèle pour obtenir la tension de 12 volts .

Le regroupement permet aussi d'en augmenter la capacité d'utilisation désirée : plus vous ajouter de générateurs élémentaires plus vous augmenterez le courant débité et donc la capacité de l'accumulateur .

L'ensemble ainsi constitué est appelé " batterie d'accumulateurs " .

Une batterie de cellule ou de démarrage de "12V"  comprend donc six accumulateurs, même si sa tension apparente aux bornes de celles-ci se situe entre 12,6V et 13,4V .

Pendant le cycle de décharge, le dioxyde de plomb de la cathode se transforme par oxydation en sulfate de plomb (PbSO₄) en libérant de l'oxygène (0₂) et en captant des électrons (-0.365V). L'anode fixe la partie sulfurée de l'acide par réduction pour donner du sulfate de plomb (PbSO₄) et libérer des électrons (1.685 V). Cette migration d'électrons crée un courant issu de l'électrode positive qui va traverser tous les récepteurs électriques branchés dans le véhicule pour revenir à l'électrode négative.  A l'issue de la réaction chimique (batterie déchargée, l'électrolyte est constitué d'eau pure et les électrodes sont revêtues de sulfate de plomb (PbSO₄); plus aucun ion n'est disponible pour réagir avec les électrodes, aucun courant ne peut plus être formé : la batterie est déchargée.

Pendant le cycle de charge, le processus est inversé et les électrodes retournent progressivement à leur état d'origine en s'accompagnant de formation d'hydrogène . La charge de la batterie est assurée par un générateur de tension continue, l'alternateur . Ce dernier produit une tension constante de l'ordre de 14 V.

Constitution d'une batterie :

Photo 01 :     coupe d'une batterie, quelqu'en soit la marque ...

Une batterie au plomb est constituée d'un certain nombre d'éléments accumulateurs montés en série et reliés par des connexions en plomb soudé (une batterie de 12 V contient 6 éléments) .
Les accumulateurs sont logés dans un bac en plastique (polypropylène, ABS...), fermé par un couvercle scellé .

Chaque accumulateur est composé d'un ensemble de couples d'électrodes positives et négatives . Ces plaques sont isolées par un séparateur micro-poreux, destiné à éviter les courts-circuits tout en laissant circuler les ions (charges électriques) .

Les électrodes sont formées d'une grille en alliage de plomb, dont les alvéoles sont remplies d'une pâte poreuse :
                               - de peroxyde de plomb PbO₂ pour l'électrode positive,
                               - de plomb métallique Pb pour l'électrode négative .
Les électrodes baignent dans un électrolyte, solution diluée d'acide sulfurique H₂SO₄, sous forme liquide, sous forme de gel ou absorbée dans des feutres en fibre de verre .

Conception des électrodes :

Les électrodes ou plaques, de l’accumulateur au plomb, peuvent être planes ou tubulaires . Les plaques planes comportent une grille en alliage de plomb dont les fenêtres sont garnies, par « empâtage », de matériau actif . La grille assure un rôle de collecteur électronique mais aussi de support mécanique de la matière active .
Les électrodes tubulaires se composent d’une série de tubes juxtaposés . Chaque tube comporte axialement une tige en alliage de plomb, dite « épine » . Les épines, verticales, sont reliées entre elles par une barre horizontale située à la partie supérieure de l’électrode . Elles assurent ainsi la collecte du courant . La tenue mécanique de la matière active est assurée par des enveloppes poreuses, tissées ou non-tissées, enserrant chaque tube de matière active .
Les plaques négatives sont de géométrie plane, tandis que les grilles positives peuvent être de géométrie plane ou tubulaire. 

Une batterie plomb-acide est constituée d’une alternance de plaques positives et de plaques négatives, comportant des séparateurs intercalés . Cet ensemble constitue un « faisceau » . ???????????

Composition des collecteurs :

Les grilles et les épines sont constituées d’alliages de plomb . Les éléments ajoutés au plomb sont destinés à modifier les performances mécaniques et électrochimiques et faciliter la fabrication des grilles . On rencontre deux grandes familles d’alliage : les alliages plomb-antimoine (PbSb) et les alliages plomb-calcium (PbCa) .

Les plaques tubulaires :

Dans le livre référence "Electrical World" de 1890, tome 16, un certain Monsieur S. Currie est enregistré pour avoir imaginé une plaque positive tubulaire. La force de la plaque provient de tubes, remplis de masse active, dans laquelle une spine de plomb sert de conducteur.

Dans ce concept, la force mécanique et la conductivité électrique sont deux choses séparées, à l'inverse de la plaque sous forme de grille, qui doit faire les deux : servir de support à la masse active et conduire l'électricité jusqu'aux bornes. Une plaque positive tubulaire est composée d'un certain nombre de spines, connectées entre elles par une barre à l'extrémité, comme une fourchette.

Les batteries tubulaires sont très populaires en Europe et au Japon, à cause de leur excellente performance en utilisation stationnaire et en traction. En anglais, on les appelle les Ironclad batteries et en allemand les Panzerplatten (abréviation : Pz). Les plaques tubulaires peuvent avoir 19 spines (DIN) ou 14 spines (standard britannique).

Alliage Plomb-Antimoine (PbSb) :
L’antimoine a été l’élément d’ajout le plus utilisé dans le passé . En effet, les alliages PbSb avaient auparavant été étudiés et utilisés dans le cadre de la fabrication des lettres d’imprimerie .

Leurs qualités métallurgiques étaient reconnues :
                                                 ·  température de fusion inférieure à celle du plomb pur,
                                                 ·  augmentation de la dureté du matériau,
                                                 ·  coulabilité aisée .

Initialement, proche de celle de l’eutectique (13% Sb) la composition des alliages Plomb-Antimoine a évolué dans le sens d’une réduction du taux d’antimoine .
Cette tendance trouve son origine dans le constat que l’antimoine libéré dans l’électrolyte par corrosion des collecteurs positifs, migre jusqu’à l’interface réactionnelle des électrodes négatives, s’y dépose, et réduit alors la surtension hydrogène . Il en résulte une dégradation du rendement faradique de charge des électrodes négatives qui peut aller jusqu’à une impossibilité pratique de recharge .

Les constructeurs ont cherché des substituts à l’antimoine : le calcium en est le principal représentant .

Alliage Plomb-Calcium (PbCa) :
La part de calcium allié au plomb est de l’ordre de 0,1 % . Cette faible teneur permet d’atteindre des qualités métallurgiques acceptables pour la fabrication des grilles . Les alliages plomb-calcium destinés à des applications mettant en jeu des décharges régulières contiennent également de l’étain, à des teneurs de l’ordre de 1% . En l’absence d’étain, en effet, les alliages de PbCa sont le siège de phénomènes de passivation de l’interface collecteur/matière active positive menant à des défaillances prématurées, par exemple après 200 cycles charge/décharge .

Principales  catégories de batteries :

Il existe 3 principales catégories définies par leur domaine d'application :

• batterie de démarrage : utilisée dans les automobiles, elle est composée de plaques fines, de grande surface, et autorise des courants de décharge élevés, mais de courte durée,
• batterie de traction : utilisée dans les chariots élévateurs, elle est formée de plaques plus épaisses et permet des décharges journalières pouvant atteindre 80% de la capacité,
• batterie stationnaire : utilisée dans les ASI (alimentations sans interruption), conçue pour fonctionner en "floating" .

Le floating consiste à appliquer une tension proche de la tension de repos de la batterie, de façon à éviter l'auto-décharge. Il permet aussi d'alimenter les différents consommateurs d'énergie, en conservant la batterie chargée .

Les différentes technologies :

• conventionnelle : c'est une batterie ouverte, qui nécessite un apport régulier d'eau. Cette batterie est vendue "sèche", l'électrolyte est ajouté avant la première utilisation

• VRLA (Valve Regulated Lead Acid) : c'est une batterie à soupape. En cas de dégazage, l'hydrogène et l'oxygène se recombinent à l'intérieur de la batterie pour former de l'eau. Si la pression interne devient trop forte, une vanne-soupape relâche les gaz : si ce stade est atteint fréquemment, l'électrolyte se déssèche et rend la batterie inutilisable
  • type AGM (Absorbed Glass Mat) : une fine feuille de fibre, imbibée d’électrolyte (70% d’eau et 30 % d’acide) est placée entre les plaques de plomb de la batterie. Cette batterie peut fournir un courant élevé, de courte durée
  • type GEL : l'électrolyte est figé par l'addition de gel de silice. Ces batteries sont étanches et peuvent être placées dans n’importe quelle position

Une batterie de cellule ou de démarrage plomb/acide (technologie "plomb ouvert") comprend des plaques planes positives et négatives assemblées en alternance (Photo 01) . Le nombre de plaques pour chaque polarité et leur surface sont des paramètres qui définissent la capacité de l'élément . Par exemple, l'électrode positive est comporte ici 4 plaques en parallèle, reliées par un connecteur . Pour éviter les courts-circuits entre les plaques de polarité différente, un séparateur micro poreux isolant est placé entre ces plaques lors du montage .
Les plaques positives et négatives sont assemblées en faisceaux (6) et plongées dans une solution d'acide sulfurique et d'eau distillée. Chaque faisceau constitue ainsi un élément.

L'ensemble est contenu dans un bac (en polypropylène, PVC ou ABS) muni d'orifices en partie supérieure pour permettre le remplissage des éléments et les compléments en eau si nécessaire ainsi que pour l'évacuation des gaz produits (Figure 4). Les deux bornes en plomb raccordées aux faisceaux de plaques de chaque polarité, permettent le raccordement de la batterie au circuit extérieur.

La batterie que nous utilisons pour alimenter notre installation électrique de la cellule est constituée d’un empilement d’accumulateurs au plomb : voir l'article ??????????

Le rôle de l'accumulateur est très important car c'est cet élément qui fournira une tension d'environ 2,1V aux bornes de ses électrodes puis mis en série avec six autres accumulateurs dans votre batterie, donnera cette tension apparente de 12V  : d'ailleurs le nom originel d'une batterie est "batterie d'accumulateurs" .

Ces accumulateurs sont composés de plaques de plomb formant le pôle négatif et d’oxyde de plomb pour le pôle positif, le tout baignant dans un bain d’acide sulfurique jouant le rôle d’électrolyte. Chaque accumulateur délivrant une tension de base de 2.1V et il en faut donc six pour assurer les 12V de fonctionnement .

C’est un processus chimique, l’oxydoréduction, qui génère le courant électrique continu jusqu’à ce que les plaques se trouvent à l’équilibre.

Le terme "accumulateur" est employé pour un élément rechargeable, le distinguant1 ainsi de la pile (élément non rechargeable). Un accumulateur est donc un générateur réversible : il peut stocker (accumuler) de l'énergie, en convertissant l'énergie électrique en forme chimique, puis la restituer à tout moment sur demande.
De tension nominale d'environ 2 Volts, un accumulateur au plomb est rarement utilisé seul : en général, une mise en série et/ou en parallèle est effectuée pour obtenir les tensions et capacités d'utilisation désirées, ce qui constitue une batterie d'accumulateurs2. Par exemple, la batterie de démarrage d'un véhicule thermique est annoncée de "12V" pour signifier qu'elle comprend six accumulateurs, même si sa f.e.m. réelle se situe plutôt dans l'intervalle {12,5 ; 13V}. Pour les systèmes de secours, un standard de batterie 48V tend à s'imposer.