Tension des Batteries Électriques – Tension de Cellule
La tension d’une cellule dans les batteries électriques est générée par la différence de potentiel des matériaux constituant les électrodes positives et négatives dans la réaction électrochimique. La tension globale des batteries électriques dépend principalement de la chimie des composants et du nombre de cellules en série.
Chimie des Batteries et Tension de Cellule
Différentes chimies de batterie créent des tensions de cellule variées. Par exemple, les batteries alcalines non rechargeables comme les piles AAA, AA et C ont généralement une tension de circuit ouvert de 1,5V (DC). Les cellules primaires à base de lithium, comme les piles boutons, ont une tension de 3V (DC). Presque toutes les batteries lithium-ion fonctionnent à 3,8V (DC). Les chargeurs de batterie ou les USB pour la plupart des smartphones fournissent une tension de 5V pour créer une différence de potentiel nécessaire au flux de courant vers la batterie. Les batteries automobiles courantes fonctionnent à 12V (DC), mais cette tension est obtenue en connectant en série six cellules de plomb de 2V.
Principe de Fonctionnement des Batteries
Une batterie électrique est essentiellement une source d’énergie électrique en courant continu. Elle convertit l’énergie chimique stockée en énergie électrique via un processus électrochimique, fournissant ainsi une force électromotrice pour permettre le flux de courant dans les circuits électriques et électroniques. Une batterie typique est composée d’une ou plusieurs cellules voltaïques.
Dans une cellule électrochimique, des réactions redox spontanées se produisent dans deux électrodes séparées par un électrolyte, une substance conductrice ionique et électriquement isolante.
Tension des Batteries Lithium-Ion
La tension produite par chaque cellule lithium-ion est d’environ 3,6 volts. Ceci est avantageux car elle est supérieure à celle des cellules standard nickel-cadmium, nickel-métal-hydrure et même alcalines qui sont autour de 1,5 volts, et des cellules d’acide plomb à environ 2 volts par cellule. Pour obtenir des potentiels électriques plus pratiques, les cellules sont souvent connectées en série.
Facteurs Influant sur la Tension de Batterie
Les batteries sont marquées avec des tensions nominales, représentant la tension moyenne d’une cellule lorsqu’elle est entièrement chargée. Cependant, cela peut différer de la tension de circuit ouvert. Des facteurs comme la température basse peuvent diminuer la tension attendue et augmenter avec une température plus élevée. Pour éviter que les batteries se déchargent en dessous d’un certain niveau pouvant les endommager, une limite de tension appelée tension de coupure est établie.
Pourquoi les Piles Alcalines sont-elles de 1,5V?
Dans une pile alcaline, l’électrode négative est en zinc et l’électrode positive en dioxyde de manganèse à haute densité (MnO2). L’électrolyte alcalin de hydroxyde de potassium (KOH) n’est pas consommé pendant la réaction, seuls le zinc et le MnO2 le sont lors de la décharge. Les demi-réactions sont:
- Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− [Eoxydation° = +1.28 V]
- 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq) [Eréduction° = +0.15 V]
Réaction globale: Zn(s) + 2MnO2(s) ⇌ ZnO(s) + Mn2O3(s) [e° = +1.43 V]
Différence de Tension entre Piles Alcalines et Rechargeables
Les batteries primaires (à usage unique ou alcalines) utilisent des cellules de 1,5V de tension de circuit ouvert lorsqu’elles sont neuves. Les batteries secondaires (rechargeables) utilisent des cellules de NiMh ou NiCd, qui ont une tension de circuit ouvert de 1,2V. En pratique, les batteries alcalines et rechargeables peuvent être utilisées de manière interchangeable dans des ensembles. Elles n’ont que des caractéristiques de tension différentes données par leur chimie différente.
Autres Caractéristiques des Batteries
Il est important de comparer et de comprendre la capacité de chaque batterie, ainsi que d’autres paramètres tels que la tension de coupure, la capacité coulométrique, le taux de décharge, l’auto-décharge, la dégradation et la profondeur de décharge. L’état de charge fait référence à la quantité de charge restante dans une batterie par rapport à ses états «plein» et «vide» prédéfinis.
