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1 PILES ET ACCUMULATEURS ELECTRIQUES __________________________________________

1 PILES ET ACCUMULATEURS ELECTRIQUES ________________________________________________ Leclanché S.A. Avenue de Grandson 48 CH-1400 Yverdon-les-Bains Tél : 024 447 22 72 Fax : 024 447 23 50 2 Quelques notions élémentaires d'électricité page 3 Générateurs électrochimiques page 4 Un peu de chimie page 4 Piles et accumulateurs courants page 7 1. Piles salines au chlorure d'ammonium page 8 2. Piles salines au chlorure de zinc page 8 3. Piles alcalines au bioxyde de manganèse - zinc page 8 4. Piles à l'oxyde de mercure - zinc page 9 5. Piles à l'oxyde d'argent - zinc page 9 6. Piles cylindriques au lithium page 10 7. Piles boutons au bioxyde de manganèse - lithium page 10 8. Piles air - zinc page 11 9. Accumulateurs au plomb ou plomb - acide sulfurique page 11 10. Accumulateurs Nickel - Cadmium (Ni - Cd) page 12 11. Accumulateurs Nickel - Hydrure Métallique (Ni - MH) page 12 Remarques générales sur les piles page 13 1. Stockage prolongé page 13 2. Recharge page 14 3. Court circuit page 14 4. Température excessive page 14 5. Capacité page 15 6. Que faire d'une pile déchargée ? page 15 3 Quelques notions élémentaires d'électricité Le courant électrique résulte du déplacement de charges électriques dans un conducteur. L'intensité de ce courant s'exprime en Ampères, elle se note I. Il existe des charges électriques dites positives et des charges dites négatives qui se déplacent sous l'action d'une grandeur appelée différence de potentiel. La différence de potentiel, s'exprime en Volts, symbole V. On a convenu de donner au courant le sens de déplacement des particules positives. Lorsque ces dernières sont immobiles (comme dans les conducteurs métalliques), le sens du courant est le sens inverse de celui du déplacement des particules négatives. Dans le cas des conducteurs métalliques, les particules négatives qui se déplacent sont des électrons. Lorsqu'une particule élémentaire (atome) perd un ou plusieurs électrons, elle se transforme en ion positif. Lorsqu'elle absorbe un ou plusieurs électrons, elle devient un ion négatif. Dans les liquides conducteurs (à l'exception des métaux fondus comme par exemple le mercure), le courant est transporté par des ions positifs et négatifs qui se déplacent en sens inverses. Le courant total est la somme des courants portés par les deux types d'ions. Le passage du courant dans un conducteur (liquide ou solide) est plus ou moins facile suivant le matériau, sa résistance (notée R, exprimée en Ohms, symbole ) est plus ou moins grande. La facilité de conduire l'électricité est appelée conductance (exprimée en Siemens, symbole S), c'est l'inverse de la résistance. Le passage du courant d'un point à un autre n'est possible que si un conducteur relie ces deux points et qu'il existe une différence de potentiel entre eux. Dans ce cas, l'intensité du courant est donnée par la loi d'Ohm : I = U R où I est le courant (A), U est la différence de potentiel entre les deux points (V) et R est la résistance du conducteur (). 4 Si le courant (les particules chargées) circule toujours dans le même sens, c'est du courant continu, s'il change périodiquement de sens, c'est du courant alternatif. Les prises électriques habituelles délivrent du courant alternatif. Générateurs électrochimiques Un générateur électrique est un dispositif capable de transformer une forme d'énergie (lumière, chaleur, énergie mécanique ou chimique,...) en électricité ou, comme on l'a vu plus haut, en circulation d'électrons. Si l'énergie a pour origine une réaction chimique, c'est un générateur électrochimique. Ces générateurs électrochimiques produisent du courant continu avec une différence de potentiel relativement faible (en général de 1 à 3 V). Pour obtenir une tension (différence de potentiel) plus élevée, il faut utiliser plusieurs éléments (générateurs élémentaires) les uns après les autres en raccordant le contact positif d'un élément au contact négatif de l'élément suivant. On parle alors d'un montage en série. Cela permet d'obtenir des tensions assez élevées (par exemple plus de 120 V dans certaines batteries pour postes radio utilisant des tubes amplificateurs sous vide). On peut aussi relier plusieurs éléments identiques en raccordant les contacts positifs à un point et les contacts négatifs à un autre, c'est alors un montage en parallèle. Ce montage permet notamment d'obtenir des courants plus élevés qu'avec un élément utilisé seul. Un peu de chimie Dans un générateur électrochimique, une électrode est l'endroit où ont lieu les réactions chimiques produisant (ou absorbant) les électrons qui circulent dans le circuit électrique extérieur au générateur. Toute réaction qui implique un échange d'électron(s) peut être utilisée dans un générateur électrochimique. Le composé qui, pendant une réaction chimique perd des électrons, s'oxyde ou subit une oxydation. L'électrode où une oxydation se produit est appelée anode. Le composé qui absorbe des électrons se réduit ou subit une 5 réduction. L'électrode où se passe une réduction est une cathode. Dans un générateur électrochimique, les électrons quittent l'anode vers le circuit extérieur et retournent au générateur par la cathode. Il ne peut y avoir d'oxydation d'une substance sans réduction d'une autre substance et vice versa, c'est pourquoi on parle d'oxydoréduction, en abrégé "rédox". Les notions d'oxydation et de réduction qui s'appliquaient initialement au gain ou à la perte d'oxygène ont été progressivement généralisées aux réactions avec échange d'électron(s). Les électrodes ne peuvent pas accumuler les charges électriques, il faut donc que le circuit soit "bouclé" et que l'électricité circule aussi à l'intérieur du générateur. Cela s'effectue au travers d'un composé, le plus souvent liquide, appelé électrolyte dans lequel se déplacent des ions en quantités équivalentes au courant du circuit extérieur. Si les électrodes entraient en contact l'une avec l'autre à l'intérieur du générateur, les électrons pourraient circuler sans passer par le circuit extérieur et le générateur serait en court-circuit. On empêche cela en utilisant un séparateur qui ne conduit pas les électrons (isolant) mais permet le passage des ions par des trous (pores) dans sa structure. Le séparateur des générateurs à électrolyte liquide est un matériau poreux (papier, plastique finement perforé, fibre de verre,...). En général, plus la réaction chimique peut produire d'énergie, plus la tension de l'élément sera élevée. Par exemple, la réaction entre le bioxyde de manganèse et le lithium dégage plus d'énergie que la réaction entre le bioxyde de manganèse et le zinc. Une pile "au lithium" a une tension d'environ 3 V alors qu'une pile "bioxyde de manganèse-zinc" a une tension d'environ 1,5 V seulement. En résumé, un générateur électrochimique élémentaire comprend au minimum (voir schéma) : - un récipient - deux électrodes avec leurs contacts - un électrolyte - un séparateur 6 Récipient Séparateur Electrode négative Electrode positive Electrolyte Contacts L'électricité étant produite par une réaction chimique, le courant cesse de circuler lorsque la matière active contenue dans au moins l'une des électrodes a été complètement utilisée. On dit que le générateur est déchargé. La quantité totale d'électricité que le générateur a fourni pendant la décharge est sa capacité, elle s'exprime par le produit du courant de décharge par le temps qu'a duré cette décharge. On a C = I t, où C est la capacité, I est le courant (constant) et t, la durée de la décharge. La capacité s'exprime généralement en Ampères-heures (Ah), elle augmente avec la masse de matière active contenue dans le générateur. Dans certains cas on peut, à l'aide d'une source extérieure de courant, provoquer la réaction chimique inverse de la décharge, les matières actives des électrodes sont alors régénérées, le générateur est rechargé. Les générateurs électrochimiques construits pour pouvoir être rechargés sont des accumulateurs. Dans certains cas ils peuvent être déchargés et rechargés plus de mille fois avant qu'ils ne soient abîmés par des réactions chimiques indésirables. Un cycle est constitué d'une décharge suivie d'une recharge. Le nombre de cycles que peut supporter un accumulateur avant d'être "usé" est sa durée de vie. Elle varie avec la nature des matières actives et la construction de l'accumulateur mais elle est au minimum de plusieurs dizaines de cycles. 7 Les générateurs électrochimiques qui ne peuvent en principe pas être rechargés sont des piles. Il est récemment apparu des chargeurs que l'on dit capables de recharger ces piles. Avec des piles ordinaires cette opération est dangereuse (risque de fuite d'électrolyte et même d'explosion) et ne permet au mieux qu'une recharge partielle de la pile. Avec des piles spéciales, il est possible de réactiver la pile déchargée mais la pile se dégrade rapidement et sa durée de vie utile est très faible, au mieux, 10 à 20 cycles. Les piles sont des éléments électrochimiques primaires, les accumulateurs sont des éléments secondaires. Une batterie est un ensemble de générateurs (primaires ou secondaires) raccordés en série (pour augmenter la tension) ou en parallèle (pour avoir une plus grande capacité ou délivrer plus de courant qu'avec un élément seul). Il existe des batteries de piles (par exemple la "pile" de lampe de poche de 4,5 V constituée de 3 éléments de 1,5 V montées en série) et des batteries d'accumulateur (comme par exemple les "batteries" présentes dans les automobiles avec en général six éléments de 2 V raccordés en série). Piles uploads/Finance/ piles-et-accumulateurs 1 .pdf