Batteries au Plomb-Acide : Fonctionnement et Chimie
Les batteries au plomb-acide sont des batteries secondaires (rechargeables) constituées d’un boîtier, de deux plaques de plomb ou de groupes de plaques, l’une servant d’électrode positive et l’autre d’électrode négative, et d’une solution d’acide sulfurique à 37% comme électrolyte. Ces batteries contiennent un électrolyte liquide dans un récipient non scellé, nécessitant une position verticale et une zone bien ventilée pour assurer la dispersion sûre du gaz hydrogène produit pendant la surcharge.
Les batteries au plomb-acide présentent généralement des efficacités coulombiques de 85% et des efficacités énergétiques de l’ordre de 70%. Le plomb et le dioxyde de plomb, les matériaux actifs des plaques de la batterie, réagissent avec l’acide sulfurique dans l’électrolyte pour former du sulfate de plomb. Ce sulfate de plomb se forme initialement dans un état amorphe finement divisé et redevient facilement du plomb, du dioxyde de plomb et de l’acide sulfurique lorsque la batterie se recharge.
Principe de Fonctionnement des Batteries au Plomb-Acide
Le principe de fonctionnement de la batterie au plomb-acide peut être illustré par les processus chimiques qui se déroulent pendant la charge et la décharge. Pendant la décharge, le processus Pb + SO42- → PbSO4 + 2e– se produit à l’anode. Le plomb est oxydé avec l’électrolyte en sulfate de plomb, libérant deux électrons. Le sulfate de plomb est également formé à la cathode par : PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e– → PbSO4 + 2H2O. Mais dans cette réaction, une réduction de l’oxyde de plomb se produit.
Le sulfate de plomb formé se dépose en tant que revêtement sur les électrodes et, dans une certaine mesure, également au fond du boîtier. Puisque l’acide sulfurique est utilisé pendant le processus de décharge, l’état de charge (SoC) peut être déterminé en mesurant la densité de l’électrolyte.
Pendant la charge, les processus se déroulent dans la direction opposée de sorte que le sulfate de plomb formé pendant la décharge est oxydé en plomb et en oxyde de plomb réduit, respectivement. Si le sulfate de plomb est complètement consommé et que le processus de changement n’est pas arrêté, l’électrolyse de l’électrolyte commence. La surcharge avec des tensions de charge élevées génère de l’oxygène et de l’hydrogène par électrolyse de l’eau, qui s’échappe sous forme de bulles et est perdu. Les batteries scellées ont des catalyseurs (Pd, Pt) au-dessus de l’évent où le gaz oxyhydrogène peut se recombiner en eau.
La tension de cellule résultante peut être déterminée à partir de la série galvanique. La tension totale de la réaction redox est donc : E0 = 1.68V – ( – 0.36V) = 2.04V.
