Comment fonctionne une batterie ?

En examinant la batterie, nous pouvons remarquer qu'elle possède deux pôles - un positif, marqué par "+", et un négatif, marqué par "-". Dans le cas des batteries cylindriques typiques, comme R6/AA ou R14/C (utilisées par exemple pour alimenter des lampes de poche ou des jouets), les pôles sont les extrémités de la batterie. Dans les batteries de voiture, les pôles sont de lourdes bornes en plomb.

Sur le pôle négatif de la batterie, des électrons s'accumulent. Si nous connectons le pôle négatif au pôle positif avec un fil, les électrons se déplaceront aussi vite que possible du pôle négatif au pôle positif - la batterie se déchargera très rapidement (de plus, nous déconseillons ce type d'expérimentations en raison des dangers qui y sont associés - ne court-circuitez jamais une batterie de cette manière "à court" !). Dans des conditions normales, nous connectons à la batterie une charge avec un fil - une ampoule, un petit moteur, ou un circuit électronique, comme par exemple une radio.

À l'intérieur de la batterie, une réaction produit des électrons libres. La vitesse à laquelle les électrons sont libérés en raison de cette réaction (résistance interne - résistance - de la batterie) limite évidemment le nombre d'électrons qui peuvent circuler entre les pôles. Les électrons doivent circuler de la batterie à travers le fil et la charge, du pôle négatif au pôle positif, afin qu'une réaction chimique se produise, libérant encore plus d'électrons. Pour cette raison, nous pouvons laisser une batterie inutilisée sur une étagère pendant par exemple un an, puis continuer à l'utiliser sans aucun problème - tant que les électrons ne circulent pas du pôle négatif au pôle positif, la réaction chimique ne se produit pas. Au moment où les pôles sont connectés, la réaction commence.

Réactions chimiques dans les batteries

L'une des batteries les plus simples est la batterie zinc-carbone. En examinant les réactions qui se produisent à l'intérieur, nous pouvons mieux comprendre le principe général de fonctionnement de toutes les batteries. Imaginons que nous avons un pot d'acide sulfurique (H2SO4). Si nous y plaçons une tige de zinc, l'acide corrosif commencera immédiatement à la dissoudre. Nous verrons des bulles d'hydrogène se former à la surface du zinc, et à la fois la tige et l'acide commenceront à chauffer.
Voici ce qui se passe :

• les molécules d'acide se décomposent en trois ions : deux ions H+ et un ion SO4--
• les atomes de zinc à la surface de la tige perdent deux électrons (2e-) et deviennent des ions Zn++
• les ions Zn++ se combinent avec les ions SO4-- pour former ZnSO4, qui se dissout dans l'acide
• les électrons des atomes de zinc se combinent avec les ions H+ et forment des molécules H2 (hydrogène gazeux)

Lorsque nous plaçons maintenant une tige de carbone dans l'acide, l'acide ne lui fera rien. Cependant, si nous connectons la tige de zinc à la tige de carbone par un fil, deux choses se produiront :

• les électrons commenceront à se déplacer le long du fil et à se combiner avec l'hydrogène sur la tige de carbone, à partir de laquelle des bulles d'hydrogène commenceront également à se dégager
• la libération de chaleur diminuera considérablement ; en utilisant l'électricité circulant maintenant dans le fil, nous pourrions par exemple alimenter une ampoule - et mesurer la tension et le courant qui circulent dans le fil - une partie de l'énergie thermique a été convertie en mouvement des électrons.

Les électrons "s'efforcent" de circuler vers la tige de carbone parce qu'il leur est "plus facile" de se combiner avec l'hydrogène. Une cellule ainsi construite a une tension caractéristique de 0,76V (volt). Finalement, la tige de zinc se dissoudra complètement, ou les ions d'hydrogène dans l'acide s'épuiseront - et la batterie cessera de fonctionner.
Les batteries que nous connaissons fonctionnent sur le même principe. Elles diffèrent par les types de métaux et d'électrolytes utilisés, mais toutes fonctionnent grâce au même phénomène - des électrons circulant d'un pôle à l'autre. En fonction des composants utilisés, la tension caractéristique de cette batterie change également. Suivons cela à l'aide d'un exemple typique d'une batterie au plomb :

• la batterie contient une plaque en plomb et une autre en dioxyde de plomb, toutes deux immergées dans un électrolyte d'acide sulfurique fortement concentré
• le plomb se combine avec SO4 pour former PbSO4 et un électron libre
• le dioxyde de plomb, les ions d'hydrogène et les ions SO4, ainsi que les électrons de la plaque en plomb, forment PbSO4 et de l'eau sur la plaque de dioxyde de plomb ; au fil du temps, les deux plaques se couvrent de PbSO4, et l'eau se mélange à l'acide ; la tension caractéristique est d'environ 2V - donc, en connectant en série 6 cellules, nous obtenons une batterie de cellules avec une tension de 12V

La batterie au plomb-acide a une caractéristique très avantageuse - la réaction qui s'y produit est entièrement réversible. Si un courant est passé à travers la batterie à la tension appropriée, le plomb et l'oxyde de plomb se reformeront sur les plaques ; de cette manière, nous pouvons utiliser la batterie plusieurs fois ! Dans le cas de la batterie zinc-carbone, nous ne pouvons pas procéder de la même manière - il n'y a pas de moyen simple de remettre l'hydrogène dans l'électrolyte. Les batteries modernes utilisent de nombreux composés chimiques pour produire de l'énergie électrique. Les types de batteries les plus courants sont :

• batteries zinc-carbone - si populaires qu'elles sont parfois appelées "ordinaires" ; ce sont les batteries les plus couramment utilisées, dans des tailles telles que R6/AA, R14/C, R20/D ; les électrodes sont en zinc et
• carbone, avec une pâte acide placée entre elles, servant d'électrolyte
• batteries alcalines - leurs électrodes sont en zinc et en oxyde de manganèse, avec un électrolyte alcalin
• batteries lithium - utilisent du lithium, de l'iodure de lithium ou de l'iodure de plomb ; elles sont le plus souvent utilisées dans les appareils photo, car elles peuvent fournir de l'énergie en courtes, grandes quantités (nécessaires pour alimenter les flashs)
• batteries zinc-air - utilisées pour alimenter les appareils auditifs.
• batteries au plomb-acide - utilisées dans les voitures ; les électrodes sont en plomb et en oxyde de plomb, avec un acide fortement concentré comme électrolyte
• batteries nickel-cadmium (Ni-Cd) - les électrodes sont en hydroxyde de nickel et en cadmium, avec de l'hydroxyde de potassium comme électrolyte
• batteries nickel-hydrure métallique (Ni-MH) - ont rapidement remplacé les batteries nickel-cadmium dans la plupart des applications en raison de l'absence de "l'effet mémoire", attribué aux batteries Ni-Cd
• batteries lithium-ion - avec un excellent rapport capacité/poids, les plus souvent utilisées dans les ordinateurs portables et les téléphones portables.

Connexion des cellules / batteries

Dans les considérations précédentes, nous avons utilisé les mots "batterie" et "cellule" de manière interchangeable. Cela correspond à la tendance dans le langage courant. Cependant, d'un point de vue technique, les mots "batterie" et "cellule" ont des significations très différentes. Ainsi, "cellule" désigne une source d'alimentation unique, par exemple, comme le pot d'acide décrit au début et les deux tiges connectées par un fil (ou par exemple, une "pile" R6/AA). "Batterie", en revanche, est un ensemble de cellules connectées (comme une batterie 3R12, composée de trois cellules dans un seul boîtier, connectées en série). C'est dans ce sens que nous utiliserons ces deux termes dans la suite de ce texte.

Dans la plupart des appareils, nous n'utilisons pas une seule cellule. Au lieu de cela, nous en connectons plusieurs - soit en série, pour obtenir une tension plus élevée, soit en parallèle - pour obtenir des courants plus élevés. Dans une connexion en série, nous obtenons la somme des tensions des cellules connectées ; dans une connexion parallèle - la somme des courants obtenus des cellules constitutives.



La connexion comme sur le schéma supérieur est appelée parallèle. Si nous supposons que chacune des cellules a une tension caractéristique de 1,5V (comme une cellule zinc-carbone ou alcaline typique), la tension obtenue aux bornes finales (indiquées par des flèches) sera toujours de 1,5V, mais le courant obtenu aura une intensité quatre fois plus élevée que celui que nous obtiendrions d'une seule cellule.

La connexion comme sur le schéma inférieur est appelée série. Dans ce cas, les tensions des différentes cellules s'additionnent, donnant une tension de 6V entre les bornes.

En achetant une batterie ou une cellule, l'emballage indique généralement quelle est sa tension - parfois aussi sa capacité. Par exemple, les batteries rechargeables typiques utilisées dans les caméras numériques ont une tension de 1,2V et une capacité de 2000mAh. Une capacité de 2000mAh (mAh est l'abréviation de milliampère-heure) signifie que, théoriquement, une telle batterie est capable de fournir un courant de 2000mA (2000 milliampères, soit 2 ampères) pendant une heure, un courant de 1A pendant deux heures, un courant de 100mA pendant 20 heures, etc. Cependant, les cellules ne se comportent généralement pas de manière linéaire. Tout d'abord, chaque batterie a un courant maximal qu'elle peut fournir. Ainsi, une batterie de 500mAh ne sera pas capable de fournir un courant de 30A pendant une seconde, car il n'y a pas de moyen pour que les réactions chimiques se produisant à l'intérieur de la batterie fournissent autant d'électrons en si peu de temps. Deuxièmement, à des courants élevés, les cellules ont généralement tendance à chauffer beaucoup, ce qui gaspille une grande partie de leur énergie. Troisièmement - de nombreux systèmes chimiques utilisés dans les batteries fonctionnent moins longtemps (ou plus longtemps !) à des niveaux de consommation très faibles. Néanmoins, la capacité mesurée en ampères-heures donne une idée raisonnable de la durée de vie d'une cellule à une consommation de courant donnée, dans des conditions d'utilisation typiques.

Copyright © Baltrade