Principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque

Principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque

HISTORIQUE

L’histoire des accumulateurs au plomb commence en 1859 avec la fabrication du premier accumulateur rechargeable par Gaston Planté. Il comporte deux feuilles de plomb roulées en spirale, séparées par une toile de lin et plongées dans un bac contenant une solution d’acide sulfurique. Ces électrodes, constituées initialement de plomb pur devaient être formées par balayages de potentiels successifs. Ces accumulateurs étaient associés en batterie (photo ci-dessous).

En 1880, Camille Faure met au point une technique facilitant la formation de l’accumulateur au plomb : une pâte à base d’oxydes de plomb et d’acide sulfurique est appliquée directement sur les lames de plomb qui sont maintenues en place en enroulant le tout dans un feutre.

En 1881, le luxembourgeois Henri Tudor fonde la société éponyme et industrialise les accumulateurs de Faure en introduisant des plaques de plomb coulé, enduites d'une pâte active. Beaucoup plus robuste, l'accumulateur ouvert tel que nous le connaissons est né.

Depuis, les progrès techniques n’ont pas cessé de progresser (propriétés des alliages, additifs des matières actives, composition des pâtes, etc.).

DESCRIPTION

Une batterie au plomb est constituée par un ensemble d'accumulateurs. La tension nominale d'un accumulateur étant d'environ 2.1 V, une batterie de 12 V est constituée de 6 accumulateurs montés en série et reliés par des connexions en plomb soudées. Ces accumulateurs sont logés dans un bac, le plus souvent en plastique ( polypropylène, ABS…), qui est fermé par un couvercle scellé.

Chaque accumulateur est composé d'un ensemble de couples d'électrodes positives et négatives montés en parallèle, au milieu de chaque couple est placé un séparateur.

  • Électrodes positives

Les électrodes positives sont des grilles, en alliage binaire ou ternaire de plomb ( Pb-Sb, Pb-Sn, Pb-Ca, Pb-Sb-As...) dont les alvéoles sont remplis d'une pâte poreuse de peroxyde de plomb PbO2 (matériau actif aux électrodes positives). Les éléments d'alliage permettent d'améliorer les propriétés mécaniques des grilles et ont une influence sur les performances des batteries.

  • Électrodes négatives

Les électrodes négatives comparables aux grilles positives, sont remplies de plomb métalliques très poreux (matériau actif aux électrodes négatives) : on parle d'éponge de plomb métalliques.

Les électrodes sont souvent appelées « plaques » en raison de leur forme.

  • Séparateurs

Afin d'éviter le contact entre les électrodes positives et négatives, et donc des courts-circuits, les plaques sont isolées entre elles par un séparateur. Ces séparateurs sont généralement des feuilles rectangulaires, intercalées entre les plaques positives et les plaques négatives, et possèdent des qualités remarquables :

  • Isolant électrique parfait 
  • Très grande perméabilité aux ions porteurs de charges électriques
  • Barrière pour les particules de matières 
  • Porosité élevée 
  • Excellente tenue à l'acide sulfurique

Les séparateurs sont le plus souvent constitués par un feutre de fibres cellulosiques protégées par une résine ou encore par du chlorure de polyvinyle fritté ou des feutres en fibre de verre.

  • Électrolyte

L'électrolyte est une solution diluée d'acide sulfurique, sous forme liquide, de gel ou absorbée dans des feutres en fibre de verre.

  • Expandeurs

Les premiers accumulateurs au plomb industriels ont utilisé des séparateurs en bois. Quand on a mis des séparateurs en plastique ou en fibre de verre, les performances des batteries se sont effondrées ! Avant que l'on comprenne que le bois était chimiquement utile pour maintenir la porosité de la matière active.

Le bois libère des macromolécules organiques en milieu sulfurique. Ces composés appelés ligno-sulfonates sont utilisées sous le nom d’expandeurs dans les batteries modernes afin de maintenir leur performance dans le temps.

À ce stade de la discussion, on identifiera deux grands types de batteries Plomb / acide :

  • Les batteries "ouvertes" (flooded batteries) : ces batteries Plomb / acide sont dites ouvertes car elles disposent de bouchons qui permettent d'accéder à l'électrolyte qui est alors sous forme de liquide.
  • Les batteries étanches VRLA. ces batteries sont dite étanches par opposition aux batteries ouvertes. Dans ce cas, il est impossible de rajouter de l'eau dans la batterie Plomb.