Composition et Fonctionnement des Batteries au Plomb-Acide
Les batteries au plomb-acide sont des accumulateurs secondaires (rechargeables) composés 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’un remplissage de 37% d’acide sulfurique (H2SO4) en tant qu’électrolyte. Ces batteries contiennent un électrolyte liquide dans un conteneur non scellé, nécessitant de les maintenir verticalement et dans un espace bien ventilé pour assurer la dispersion sûre du gaz hydrogène produit lors de la surcharge.
Les batteries au plomb-acide affichent typiquement une efficacité coulombique de 85% et une efficacité énergétique 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 de l’électrolyte pour former du sulfate de plomb. Ce sulfate de plomb se forme initialement dans un état amorphe finement divisé et se reconvertit facilement en plomb, dioxyde de plomb et acide sulfurique lorsque la batterie se recharge.
Caractéristiques et Applications
La batterie au plomb-acide est relativement lourde par rapport à la quantité d’énergie électrique qu’elle peut fournir. Son faible coût de fabrication et ses niveaux élevés de courant de surtension la rendent commune là où sa capacité (plus de 10 Ah environ) est plus importante que le poids et les problèmes de manipulation. Cependant, cette chimie de batterie est très sensible au cyclage profond par rapport à d’autres systèmes de batteries, et en raison de la haute densité du plomb, l’énergie spécifique des batteries est assez faible.
La majorité des batteries au plomb-acide dans le monde sont des batteries de démarrage, d’éclairage et d’allumage (SLI) pour automobiles, avec environ 320 millions d’unités expédiées en 1999. En 1992, environ 3 millions de tonnes de plomb ont été utilisées dans la fabrication de batteries. Les champs d’application industriels des batteries au plomb-acide incluent la traction pour les véhicules miniers, les chariots élévateurs et comme sources d’énergie stationnaires telles que le stockage de secours (UPS) et les stations de signalisation pour les chemins de fer et les télécommunications.
Structure et Performance
Une batterie au plomb-acide se compose d’une électrode négative en plomb spongieux ou poreux, le plomb étant poreux pour faciliter la formation et la dissolution du plomb. L’électrode positive est composée d’oxyde de plomb. Les deux électrodes sont immergées dans une solution électrolytique d’acide sulfurique et d’eau. En cas de contact entre les électrodes via le mouvement physique de la batterie ou des changements dans l’épaisseur des électrodes, une membrane isolante électriquement mais chimiquement perméable sépare les deux électrodes. Cette membrane empêche également le court-circuit électrique à travers l’électrolyte.
La tension nominale d’une cellule est d’environ 2V, mais la tension varie entre environ 1,75 V et 2,4V en fonction de l’état de charge (SoC) et du courant de charge ou de décharge. Les batteries au plomb-acide peuvent délivrer des courants élevés sur de courtes périodes et ont une haute densité de puissance.
Les batteries au plomb-acide peuvent atteindre une longue durée de vie de plusieurs années. Cependant, la régulation de la tension est cruciale ici, en particulier dans les voitures en tant que batterie de démarrage, où cela est souvent insuffisamment précis, permettant typiquement seulement 2 à 4 ans d’utilisation. Les batteries d’entraînement ou de stockage peuvent atteindre une durée de vie de 5 à 15 ans, selon la qualité et le stress. Mais ces batteries diffèrent considérablement des batteries de voiture. Lorsque les batteries au plomb-acide sont de même capacité et taille, mais de poids différents, la batterie la plus lourde dure généralement plus longtemps car les cadres de plomb sont plus solides. Le vieillissement des batteries au plomb-acide est principalement causé par la corrosion interne de la structure en plomb des électrodes, la formation de courts-circuits fins et par la sulfatation du plomb.
