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SOMMAIRE "GUIDE TECHNIQUE"



Mécanismes de dégradation des batteries Plomb Acide



Corrosion des électrodes



Les électrodes, surtout positives, sont sensibles à la corrosion : le plomb de la grille se transforme en dioxyde de plomb PbO2. La vitesse de corrosion augmente avec la concentration en acide sulfurique, la température et quand la batterie vieillit.

La corrosion provoque un gonflement des électrodes positives car le dioxyde de plomb est 37% plus volumineux que le plomb. Ceci induit des contraintes mécaniques qui déforment les électrodes et fragilisent la liaison entre la grille et les matériaux actifs : la capacité de la batterie diminue alors car la résistance interne augmente.

Si la corrosion devient trop importante, les matériaux actifs tombent peu à peu au fond des accumulateurs, et l'ensemble des électrodes se désagrège. L'ensemble de ces débris peut alors créer des courts-circuits. Ainsi, dans certaines batteries, les séparateurs enveloppent les électrodes afin d'éviter l'accumulation de débris au fond des accumulateurs.


Grille positive corrodée

Risque de gel et variation de la densité spécifique



La densité spécifique de l'électrolyte est définie par le rapport de la densité de la solution d'acide sulfurique sur celle de l'eau distillée.

Nous avons vu que si la décharge est totale, l'électrolyte ne sera plus composé que d'eau : la densité spécifique varie en fonction de l'état de charge de la batterie. L'état de charge de la batterie est souvent mesuré en estimant la densité spécifique de l'électrolyte à l'aide d'un hydromètre. Cet appareil utilise généralement le principe d'archimède : des graduations placées sur le flotteur permettent d'estimer la densité de l'électrolyte.

Les variations de la densité spécifique en fonction de l'état de charge influent sur la température de gel de l'électrolyte (voir tableau suivant) : sous des climats froids, la batterie peut geler si elle est déchargée. L'expansion de volume liée à la prise en glace détruit alors la batterie.
 
 

Densité spécifique

Température de gel ( °C)

1,00

0

1,05

-3,3

1,1

-7,8

1,15

-15

1,2

-27

1,25

-52

1,30

-71




La densité spécifique doit être adaptée en fonction du climat.

Dans une batterie plomb-acide complètement chargée et sous un climat tempéré, la densité spécifique est comprise entre 1,25 et 1,28 pour une température de 27°C (l'électrolyte est de 1,25 à 1,28 fois plus dense que l'eau distillée).

Sous des climats froids et afin d'éviter les risques de gel, la densité de l'électrolyte est augmentée tandis qu'elle est diminuée sous les climats tropicaux. Ces actions présentent des avantages et des inconvénients qui sont exposés dans le tableau suivant.

Climat

Climats froids

Climats tempérés

Climats tropicaux

Densité spécifique

1,29 – 1,30

1,25 – 1,28

1,20 -1,23

  Effets positifs

Diminution du risque gel

Augmentation de l'activité électrochimique è Augmentation de la capacité à basse température

X

Electrolyte moins corrosive

è Augmentation de la durée de vie

Effets négatifs

Electrolyte plus corrosive

è Diminution de la durée de vie (destruction des grilles et des séparateurs)

X

Diminution de la capacité

Diminution de performances pour les décharges rapides



La densité spécifique varie aussi légèrement selon le type de batterie : ce point sera abordé plus loin.


Sulfatation



Durant la décharge, des cristaux de sulfate de plomb (PbSO4) se forment sur les électrodes positives et négatives. Si la batterie reste longtemps déchargée, ces cristaux de sulfate de plomb grossissent et coalescent. Ils peuvent alors déformer les électrodes et provoqués des courts-circuits en perforant les séparateurs.

Si la batterie reste déchargée trop longtemps, la transformation des matériaux actifs (Pb et PbO2) en sulfate peut devenir irreversible, ce qui réduit la capacité effective de la batterie. De plus, les sulfates augmentent la résistance interne des batteries car ils ne sont pas de bons conducteurs électriques.

L'occurence de la sulfatation dépend :

- du taux de décharge : plus le taux de décharge est important, plus la sulfatation est importante.
- du temps de maintien de la batterie sous un taux de décharge donné : la sulfatation augmente avec le temps de maintien en décharge.
- du type de batterie plomb/acide, en particulier des alliages de plomb utilisés.


Stratification de l'électrolyte



La stratification de l'électrolyte est un problème propre aux batteries ouvertes (électrolyte liquide) : la stratification est généralement provoquée par un état prolongée de sous charge ou par des surcharges qui ne sont pas assez fréquentes car la surcharge créée des bulles d'oxygène et d'hydrogène qui permettent d'agiter l'électrolyte.

Un des objectifs des charges d'égalisation est de lutter contre les effets néfastes de la stratification en créant ce bouillonnement gazeux qui agite l'électrolyte et uniformise sa concentration.


Risque à la surcharge et au dégazage



Quand la tension de charge excède une valeur qui dépend du type de batterie, la batterie est en surcharge : le dégazage devient trop important.

- Batterie VRLA (batterie AGM ou Gel)

Les batteries VRLA doivent absolument éviter le dégazage car l'eau de l'électrolyte est alors électrolysée : comme on ne peut pas rajouter de l'eau (la batterie VRLA est scellée), la batterie se déssèche peu à peu et la durée de vie est alors très faible.

Les performances des batteries VRLA sont très liées à la qualité de la régulation de la charge, qui devra prendre en compte l'ensemble des paramètres cités précédemment.

- Batteries « ouvertes » (électrolyte liquide)

Pour les batteries ouvertes, le dégazage est nécessaire et bénéfique car il combat la stratification, mais il ne doit pas dépasser quelques minutes car :

- le dégazage provoque une élévation de température
- les bulles descellent les matériaux actifs des grilles
- le dégazage consomme de l'électricité
- les dégagements gazeux consomment de l'eau, ce qui a pour effet d'augmenter la concentration de l'électrolyte en acide sulfurique ( + de corrosion) ainsi que d'augmenter les besoins en maintenance.

La production d'hydrogène induit des risques d'explosion : les endroits où sont placées les batteries ouvertes doivent être ventilés car il y a risque d'explosion quand la concentration de l'air en hydrogène atteint 4%.


Effet de la température



- Influence de la température sur la duré de vie des batteries

La température a des effets importants sur la durée de vie des batteries au plomb. Quand la température augmente de 10°C, la vitesse des réactions électrochimiques double : la durée de vie moyenne des batteries diminue d'un facteur 2 à chaque augmentation de 10°C car la corrosion est accélérée.

Quand la température baisse, la durée de vie des batteries augnmente, mais leur capacité diminue.

- Emballement thermique ( Thermal runaway)

Si une batterie opère sous une température ambiante élevée almors qu'elle est en surcharge, la quantité de chaleur produit lors d'un dégézage intensif peut dépasser la quantité de chaleur qui s'échappe de la batterie. La température de la batterie s'élève alors, ce qui accélère encore la vitesse des réactions chimiques exothermiques : c'est l'emballement thermique et la batterie sera perdue.

Pour éviter les problèmes de température, les batteries doivent être placées dans un bâtiment thermiquement isolé ou doivent être associées à des radiateurs thermiques (dissipation de chaleurs).



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