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Les composants d'une batterie Plomb
Description d'une batterie Plomb
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.
Les électrodes sont généralement planes, d'où leur nom de plaques.
Les électrodes sont composées d'une grille sur laquelle est déposée une matière active poreuse, respectivement à l'électrode négative et positive, le plomb et le peroxyde de plomb PbO2.
La grille collecte le courant et sert aussi de support mécanique de la matière active.
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.
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 du polyéthylène microporeux.
Électrolyte
L'électrolyte est une solution diluée d'acide sulfurique, sous forme liquide, de gel ou absorbée dans des feutres en fibre de verre.
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
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.
Impact des différents composants sur les performances des batteries Plomb
Les fabricants de batteries disposent de nombreuses options techniques afin d'adapter les performances des batteries aux différents usages : énergie renouvelable, traction, alimentation sans interruption..
Le rôle des plaques
Les alliages de Plomb
Les alliages les plus fréquemment utilisés dans la fabrication des grilles sont les alliages Pb-Ca, Pb-Ca-Sn et Pb-Sb (Sb : antimoine, Ca : calcium, Sn : étain).
Ces alliages permettent d'augmenter les propriétés mécaniques des plaques : le plomb pur est un métal malléable qui doit être le plus souvent allié afin d'augmenter sa dureté (mais pas toujours...voir plus loin).
Autre avantage des alliages de plomb, ils permettent une mise en forme plus aisée (meilleure coulabilité, plus faible température de fusion).
Les alliages Pb - Sb permettent d'obtenir de bonne caractéristiques en cyclage (bonne résistance à la corrosion de l'électrode positive). Cependant, lors de cette corrosion de l'électrode positive, de l'antimoine est libéré et va se déposer sur l'électrode négative. Ce dépôt croissant d'antimoine augmente le dégagement d'hydrogène.
Ces alliages sont utilisés dans les batteries ouvertes à électrolytes liquides.
Les alliages Pb - Ca et Pb-Ca-Sn sont utilisés dans les batteries Pb liquides scellées (sans entretien) ou bien les batteries étanches Gel ou AGM car leur dégagement gazeux est moindre qu'avec les alliages Pb- Antimoine.
| Nature de l'alliage : | Pb-Sb | Pb - Ca - Sn |
|---|---|---|
| Durée de vie / décharge profonde : | Bonne | Faible |
| Durée de vie / T° élevée : | Meilleure résistance à la corrosion | Risque d'emballement thermique |
| Dégagement gazeux : | Elevée | Faible |
| Maintenance : | Elevée | Faible |
| Auto décharge : | Forte | Faible |
Cristallographie-microstructure des électrodes
La cristallographie et la microstructure des électrodes ont une grande influence sur le développement de la corrosion.
L'élimination des porosités permet de lutter efficacement contre la corrosion. Ainsi, les batteries qui supportent bien les cycles profonds comme les batteries de traction possèdent des plaques denses.
Au contraire, les plaques sont spongieuses dans les batteries de démarrage car un fort courant nécessite une grande surface d'échange entre les électrodes et l'électrolyte.
Les cristaux des plaques doivent être de petite taille, ce qui améliore la tenue à la corrosion des plaques. En effet, la corrosion a lieu aux joints de grains. Plus les joints de grains sont nombreux, plus la corrosion est dispersée et progresse moins vite à l'intérieur des plaques.
La technologie utilisée pour la fabrication des électrodes est très importante puisque c'est principalement elle qui contrôle la microstructure des électrodes. C'est l'emploi d'une telle technologie (coulée continue) qui permet à Hawker Enersys d'utiliser du plomb pur pour les plaques des batteries Genesis et Cyclon : la taille des grains est petite ce qui permet d'améliorer grandement les caractéristiques mécaniques des plaques et d'ainsi utiliser du plomb pur.
Plaques planes / plaques tubulaires
Avec les batteries dites « tubulaires », l'électrode positive n'est plus plane, mais se présente sous la forme d'un tube : le matériau actif PbO2 entoure une épine en alliage de plomb.
Les épines, verticales, sont reliées entre elles par une barre horizontale située à la partie supérieure de l’électrode. Elles assurent ainsi la collecte du courant. La tenue mécanique de la matière active est assurée par des enveloppes poreuses, tissées ou non-tissés, enserrant chaque tube de matière active.
Seules les grilles positives peuvent être de géométrie tubulaire.
Les plaques tubulaires offrent une très bonne résistance à la corrosion et permettent à la fois une bonne durée de vie en cyclage profond et des décharges et charges rapides.
Les batteries tubulaires sont la référence dans les applications de traction lourde comme les chariots élévateurs. Avec les batteries tubulaires PZS, on obtient 1500 cycles à 80 % de décharge.
Épaisseur des plaques
Plus les plaques sont épaisses, plus la durée de vie des batteries est grande que ce soit en nombre de cycles ou en années.
Par contre, cela se fait souvent au détriment de leur capacité massique (Ah / kg).
Les électrodes positives sont généralement plus épaisses que les électrodes négatives car la corrosion y est plus sévère. L'épaisseur des plaques positives peut atteindre 7 à 8 mm sur certaines batteries.
Le rôle de l'électrolyte
La densité de d'électrolyte
La densité spécifique de l'électrolyte en g / cm3 est définie par le rapport de la densité de la solution d'acide sulfurique sur celle de l'eau distillée.
Dans les batteries Plomb, l'électrolyte n'est pas simplement un conducteur électronique et ionique, mais il participe à la réaction.
La capacité de la batterie augmente avec la densité de l'acide, mais sa durée de vie est diminuée à cause d'une corrosion accrue des grilles et séparateurs.
Le volume d'électrolyte
Plus le volume d'électrolyte sera grand, plus la fréquence de la maintenance pour les batteries « ouvertes » sera faible et plus la durée de vie des batteries sera grande, surtout dans le cas des batteries étanches VRLA.
Le bac des batteries « solaires » sont souvent translucides, ce qui permet de vérifier aisément le volume d'électrolyte.
Le rôle des séparateurs
Pour les batteries de traction, des sociétés comme DARAMIC ou AMER-SIL ont développé des séparateurs qui limitent les pertes d'eau, diminuent le risque de stratification de l'acide.
Dans le cas des batteries Automobile, les fabricants cherchent à :
- Augmenter la conductivité ionique (meilleur courant de démarrage)
- Empêcher les courts circuits liés à la croissance des dendrites
- Limiter la stratification de l'acide.
