Principes de fonctionnement des accumulateurs au Plomb

Principes de fonctionnement des accumulateurs au Plomb

Décharge-recharge

À la décharge, les deux polarités se sulfatent, l'électrolyte est consommé (les ions SO42-  vont sur les électrodes). L'oxygène libéré par l'électrode positive s'unit aux ions H+ en solution pour former de l'eau. Si la décharge est totale, l'électrolyte ne sera plus composé que d'eau.

Lors de la décharge, des cristaux de sulfate de plomb se déposent sur les deux électrodes :

  • À l'électrode positive,
    PbO2 + HSO4- + 3 H+ + 2 e- ==> PbSO4 + 2 H2O

  • À l'électrode négative,
    Pb + HSO4-  ==> PbSO4 + H+ + 2 e-

À la recharge, les deux polarités se désulfatent, l'électrolyte est regénéré (mise en solution d'ions  SO42- ). La plaque positive est peroxydée (formation de PbO2) et des ions sont libérés (augmentation de la concentration H+ de l'électrolyte).

  • Lors de la charge, à l'électrode positive, les ions Pb2+ du sulfate de plomb sont oxydés en dioxyde de plomb PbO2.
    PbSO4 + 2 H2O  ==>  PbO2 + HSO4- + 3 H+ + 2 e-

  • À l'électrode négative, le sulfate de plomb est réduit en plomb métal.
    PbSO4 + H+ + 2 e-  ==>  Pb + HSO4- + H2O

Éléments caractéristiques d'une batterie Plomb

Densité d'énergie et rendement

Sous une tension moyenne de 2V, la densité théorique d'énergie est de 168 Wh/Kg. En pratique, les meilleures batteries plomb/acide ne dépassent pas 45 à 50 Wh/Kg. Ceci est dû à l'utilisation de matériaux électrochimiquement inertes (enceinte, grille..) et à une utilisation partielle des matériaux actifs (35 à 55%).

Le rendement énergétique des batteries au plomb est de 70 – 75% : 25% de l'énergie électrique est dissipée, essentiellement sous forme de chaleur, lors des réactions électrochimiques de charge, décharge et autodécharge.

Charge d'une batterie Plomb

- Relation entre la profondeur de décharge et la durée de vie des batterie

La profondeur de décharge est la quantité d'énergie qui a été déchargée de la batterie. Elle est donnée en pourcentage de sa capacité. Une profondeur de décharde de 80% indique une décharge profonde (la capacité d'une batterie est la quantité totale d'électricité qu'une batterie peut fournir après avoir été complètement chargée. Elle s'exprime en Ampère/Heure (Ah)).

Une batterie ne doit pas subir de décharges profondes car sa durée de vie diminue rapidement avec la profondeur moyenne de décharge. En effet, quand une batterie est fortement déchargée, des phénomènes « nocifs » comme la sulfatation, le gel et la stratification de l 'électrolyte se produisent plus rapidement que lorsque la profondeur de décharge est plus faible. Ces phénomènes seront abordés plus loin.

- Variation de la capacité en fonction du courant de décharge

Pendant la décharge, la tension E aux bornes de la batterie est :

E = U-r I

U, est la force électromotrice à circuit ouvert, soit 2.10 V

r, la résistance interne de l'accumulateur et I, le courant de décharge.

Au cours de la décharge, r augmente par suite de la diminution de la concentration de l'électrolyte dans les pores des électrodes. On a donc une chute progressive de la tension E, chute d'autant plus rapide que I est élevé : la capacité d'une batterie diminue d'autant plus que la décharge est rapide.

Par conséquent, le courant de décharge ne doit pas être trop fort. Une batterie ne devrait pas être déchargée en moins de dix heures.

NB : Remarquons que la tension de 1,8V correspond à des profondeurs de décharge très différentes selon que la décharge est lente ou rapide : pour une même tension, la batterie est en fait beaucoup plus déchargée avec une décharge lente.

- Autodécharge

Une batterie se décharge lentement même si on ne s'en sert pas : c'est l'autodécharge.

Le taux d'autodécharge dépend principalement du type d'alliage qui est utilisé pour les grilles : le taux de décharge est particulièrement élevé pour les alliages Pb-Sb où il atteint 5% par mois pour des batteries neuves à 25°C.

Le taux d'autodécharge augmente rapidement avec la température et quand la batterie vieillit : il peut atteindre 1% par jour pour une batterie Pb-Sb en fin de vie.

Décharge d'une batterie Plomb

La vitesse de charge d'une batterie est rapide en début de charge puis se ralentit (courbe précédente).

Quand l'état de charge dépasse 80 à 90%, une régulation de tension et/ou d'intensité s'opère afin de limiter la vitesse de charge. En effet, l'excès d'énergie qui serait fourni à la batterie serait dissipé sous forme de chaleur et dans l'électrolyse de l'eau contenue dans l'électrolyte.

D'une manière générale, une batterie ne doit pas être rechargée trop rapidement avec une intensité ou une tension trop forte. Généralement, l'intensité de charge ne doit pas dépasser 1/10 de la valeur du courant de décharge en 10 heures (C10).

- Dégazage

Au cours de la charge, quand la batterie approche son état de charge maximale, des bulles d'hydrogènes et d'oxygène sont observées respectivement aux électrodes négatives et positives. Ces gaz proviennent de l'électrolyse de l'eau contenue dans l'électrolyte.

Réaction à l'électrode négative : 2H+ + 2 e- > H2

Réaction à l'électrode positive : 2 H2O – 2 e- > 1/2O2 + 2H+

Réaction globale : 2 H2O > 1/2O2 + H

Ce dégazage dépend de plusieurs paramètres :

  • La tension maximale aux bornes de l'accumulateur, permise par la régulation. Les contrôleurs de charge doivent couper ou limiter le courant afin d'éviter un dégazage excessif.
  • La température. Plus la température augmente, plus le dégazage se produit pour de faibles voltages.
  • La vitesse de décharge. Les dégazages commencent pour des plus faibles états de charge quand la vitesse de charge augmente.

- Charge d'égalisation

Une charge d'égalisation a pour objet de charger pleinement chaque accumulateur afin d'éviter des déséquilibres entre les différents accumulateurs qui composent les batteries. Elle consiste à charger les batteries avec un faible courant, mais sous une tension supérieure à la généralement tension appliquée en fin de charge.