s
19 708 Pages

batterie au plomb-acide
Une batterie plomb-acide d'une automobile

L 'Batterie au plomb-acide (Également connu sous le nom mal Batterie au plomb-acide ou batterie au plomb-acide) Il a été conçu 1859 de physique français Gaston Planté et est le type le plus ancien de batterie rechargeable (Ou un accumulateur, par définition), la plupart du temps utilisé sur voitures, mouvement et d'autres véhicules à moteur principalement pour permettre le démarrage du moteur thermique et alimenter tous les consommateurs électriques à bord. La poursuite de son succès est dû non pas tant à ses capacités, mais à très faible coût des matériaux dont il est constitué, le plomb et l'acide sulfurique. Dans un premier temps l'utilitaire comme un accumulateur n'a pas été bien mis en œuvre immédiatement, en particulier compte tenu du fait que, puisqu'il n'y a pas de méthodes de production chimique de l'électricité, pourrait être rechargée que d'autres cellules, il a été utilisé seulement comme une source d'électricité (la plupart du temps utilisé pour télégraphe) Par la création physique de la pile (plaques de plomb immergées dans de l'acide sulfurique) et l'élimination de la résultante sulfate de plomb une fois épuisé la charge, sans possibilité de reprise de la réaction; Cependant, l'état des choses a radicalement changé avec l'invention dynamo en 1869, ce qui a permis également la charge.

Dans le domaine des transports terrestres la norme impose une configuration de six (6) des cellules disposées en série, capable de fournir un différence de potentiel ou force électromotrice au total, à la pleine charge, de 12,30-12.90 V circuit ouvert (2,05-2.15 V pour une seule cellule) et environ 12 V quand il est en fonctionnement (2 V pour une seule cellule), à ​​une température de référence de 25 ° C

électrochimie

Une batterie de 12 volts est constituée de six cellules connectées en série. Dans l'état de charge de chaque cellule contient une anode de conduire spongieuse (Pb) et un cathode de dioxyde de plomb (PbO2) Dans un une solution d'électrolyte aqueux (dilué) contenant acide sulfurique (H2SO4) À une concentration de 33,1 v / v correspondant à 4,50 M (Fonctionnellement ces valeurs varient entre 36,1 ~ 37,3% v / v, correspondant respectivement à environ 4,69 ~ 4,88 M et la densité de l'électrolyte, à 25 ° C, égale à 1,270 ~ 1,280 kg / dm ^ 3).

Pour comprendre la chimie de la batterie plomb-acide est nécessaire d'examiner précisément la dissociation de H2SO4 (Acide Biprotic) des ions HSO4- et H3OU+ (Compléter d'abord avec K désolidarisationa1 >> 1) et des ions SO42- et H3OU+ (Deuxième dissociation partielle avec Ka2 = 1 10-2) Cela se produit dans la solution d'électrolyte. L'application de la loi d'action de masse, alors que les deux constantes Ka1 et Ka2 Elle conduit à calculer les concentrations molaires des différents ions à l'équilibre:

[HSO4-] = 4,5 M, [H3OU+] = 4,5 M; [SO42-] = 1 10-2 M

A l'anode se produit semireaction oxydation:

Pb Pb →2+ + 2et-

La présence d'ions ZO42- à une concentration molaire de 1 à 10-2 M précipite l'ion Pb2+ lequel elle se développe, étant le sulfate de plomb (PbSO4) Un sel insoluble. De plus, la présence d'une forte concentration de l'ion HSO4- (4,5 M) permet à l'ion SO42- pour régénérer après la précipitation, le maintien d'une concentration constante de 1 molaire 10-2 M. A partir du produit de solubilité (KPS) De PbSO4 (1,8 10-8) Il est possible de calculer la concentration molaire de l'ion Pb2+ pendant le fonctionnement de la batterie:

KPS 1,8 = 10-8 = [Pb2+] [SO42-]

où [Pb2+] = 1,8 10-6 M pendant le fonctionnement de la batterie.

L'application de l'équation de Nernst le couple redox anode (Pb2+/ Pb) conduit à déterminer sa potentiel de réduction (E), ce qui équivaut à -0,36 V (E ° = -0,13, E = -0,36 V).

A la cathode se produit semireaction de réduction:

PbO2 + 4H+ + second- → Pb2+ + 2H2OU

Même dans ce cas, la présence de l'ion SO42- précipite l'ion Pb2+ qui se développe, comme nous l'avons vu pour l'anode: [Pb2+] = 1,8 10-6 M pendant le fonctionnement de la batterie.

L'application de l'équation de Nernst du couple redox de la cathode (PbO2/ Pb2+) Conduit à déterminer son potentiel de réduction (E), ce qui équivaut à 1,690 V (E ° = 1,455 V, E = 1,690 V).

la différence de potentiel ou force électromotrice entre cathode et anode (AE) dans ces conditions (batterie chargée, mais le fonctionnement) est donc de 2,05 V, ce qui correspond à 12:30 V, tandis que les six cellules en série.

L'acide sulfurique comme acide fort, permet au potentiel E ° de la cathode (couple de PbO2/ Pb2+) Pour être supérieur à 0,82 V par rapport à ce qui se produirait en son absence (solution neutre à pH 7). En particulier, comme l'acide sulfurique présent à une concentration de 4,5 M, il permet au potentiel de l'électrode non-standard (E) soit supérieure à la norme (et°) en outre 0,26 V, grâce à l'abaissement de la concentration molaire de l'ion Pb2+ dans le travail de l'ion SO42- présenter en solution. Il permet également le potentiel et anode (couple de Pb2+/ Pb) soit inférieure à 0,17 V et°, toujours grâce à l'abaissement de la concentration de l'ion Pb2+. Enfin, il permet de maintenir la concentration en ions Pb2+ non seulement faible, mais aussi constant, ce qui permet la batterie d'avoir un fonctionnement Δet élevé et constant (2,0 V).

Les fabricants de batteries utilisent du plomb non seulement aux plaques mais ajouter d'autres éléments tels que l'antimoine et le calcium, ces éléments servent à diminuer les phénomènes négatifs les plus courants dans les batteries telles que l'auto-décharge, la vie dans les cycles de charge / décharge ou tendance à sulfatation.

Une cellule est classiquement considéré décharge quand, à ses extrémités, il y a une tension inférieure à 1,75 V / cellule (10:50 V / batt., à 25 ° C et au moins au bout d'environ 10 min. de repos) et à pleine charge lorsque le même est 2,15 V / cellule (12,90 V / batt., à 25 ° C et après 24 h de bureau).

traits

La tension est la différence de potentiel qui se produit dans la série des éléments (typiquement 6 V et 12 V batteries respectivement à 3 ou 6 chaînons), la capacité est exprimée comme la quantité d'ampères heures * (Ah) que la batterie peut fournir , la décharge est effectuée dans une période de temps qui varie entre 8 et 10 heures, et est généralement indiquée par le fabricant; une batterie de 80 Ah peut fournir 8 A pendant 10 heures. Ce délai est d'éviter le retour du type: j'ai une batterie de 120 Ah et l'utilisation de 30 « faisant fournir 240 A, ou, avec une batterie de 45 Ah nourriture une charge de 10 mA à 4500 h, ou pour un peu plus que 6 mois. Ces considérations erronées, comme une batterie, sauf pour un temps très court (quelques secondes) ne doit jamais fournir un courant supérieur à 10-20% de sa capacité nominale afin d'éviter d'endommager des plaques constituant les éléments de la surchauffe (la accumulateurs ont une certaine résistance interne qui varie en fonction du courant fourni). A l'inverse, dans le cas des courants de sortie très faibles, en raison du processus d'auto-décharge inévitable toujours présent (bien que minime), la décharge ne peut pas durer plus de quelques jours (5 ou 10), car sinon ce serait la même auto-décharge devenir une source majeure de consommation.

L'appel de courant dans une batterie est le courant de crête maximum peut être fourni pendant une courte période, au plus 5 ou 10 secondes, qui est utilisé pour démarrer les moteurs. Ce courant est le courant de la plaque de batterie et une batterie de 45 Ah peut fournir un courant instantané de 270 à 360 A. Une décharge prolongée à ces niveaux de courant peuvent déformer les plaques jusqu'à les faire parvenir à un court-circuit généralement 6 ou 8 fois rendant la batterie complètement inutilisable.

Pour avoir une batterie efficace que vous DURE besoin de recharger régulièrement avec un courant égal à 1/10 de sa capacité maximale: contrairement à la croyance populaire, la charge des batteries au plomb est un processus assez long et doit suivre un certain nombre d'étapes si vous souhaitez obtenir la capacité maximale prévue, avec un faible taux d'auto-décharge et longue durée de vie utile (même de 10 ~ 12 ans).

En fait, afin d'éviter que peut se produire des phénomènes graduels lentement persistants sulfatation (Implicite dans l'accumulateur de l'utilisation, pour son fonctionnement), il est essentiel le contrôle du niveau de liquide dans les cellules et sa densité de charge de la batterie et de fournir des courants de charge selon des cycles de IUIa (selon la norme DIN 41773): Cette parce que les accumulateurs actuels, en particulier pour les véhicules à moteur caractérisés par des courants d'appel élevés et une capacité considérable par rapport à ceux de 20 à 30 ans doesn`t, possèdent des plaques très fines et délicates et nécessitent donc une attention particulière au cours du processus de charge pour obtenir des taux longue durée de vie.

Enfin, une note finale: batteries plomb-acide n'aiment pas rester les drains et / ou des charges partielles; les charges doivent toujours être à 100% et être rechargées (de préférence le plus tôt possible après l'utilisation, une fois activée avec l'électrolyte avec des courants et modeste / modérée pendant une longue période).

C'est l'une de leur caractéristique chimique qui ne peut pas être modifiée.

Avantages et inconvénients

Les types les plus courants de défauts batteries au plomb sont soumis, si elles ne sont pas correctement entretenus et utilisés dans les limites prescrites par les fabricants, sont: un court-circuit interne, la sulfatation des plaques / cellules et les pertes acides, même si cela « dernier type de dommage est un événement rare en particulier, compte tenu de la fiabilité du courant dans des boîtiers en plastique.

Le court-circuit se produit lorsqu'un élément se touchent deux plaques de polarité opposée en raison de la rupture du séparateur par action mécanique (chocs, vibrations) ou d'accumuler sur le fond de la matière active de la cellule (typiquement PbO2 dans les plaques positives) échappé à alvéoles rompues accidentellement, même pour la sulfatation ou la corrosion prolongée de l'acide à une concentration élevée.

De plus, même des courants de charge excessive et prolongée peut entraîner la surchauffe des plaques, et même se déformer par dilatation thermique dans les cas les plus graves.

la sulfatation des plaques / cellules, cependant, il est un processus chimique naturel qui se produit chaque fois qu'une batterie plomb-acide est déchargé pour fournir une énergie électrique à un utilisateur externe oe` reste inactif pendant une longue période, dans ce cas, les processus d'auto-décharge / dispersions intérieur (toujours présent) réduisent l'énergie initialement présente dans l'accumulateur disponible.

Dans ces cas, la densité de l'électrolyte présent, est constitué d'acide sulfurique (H2SO4), Vous abaisse de la valeur initiale (à 25 ° C) d'environ 1,270 ~ 1,280 kg / dm ^ 3 (batterie bureau à 100%), à des niveaux beaucoup plus proches de celles de l'eau pure (1000 kg / dm ^ 3), combien plus faible est la valeur de la charge résiduelle présente dans l'accumulateur (ou plus est la vitesse de décharge): en fait, une valeur de seuil minimum recommandé, pour des périodes très courtes, il est environ 1100 kg / dm ^ 3, correspondant à une charge résiduelle de seulement 20% de la valeur nominale.

Si le processus de sulfatation est réalisée par la création de fins cristaux blancs de sulfate de plomb (PbSO4) Dispersé uniformément sur les plaques positives et négatives, nous sommes en présence d'un accumulateur qui a subi une décharge partielle et / ou que cette condition a duré pendant une courte période.

A l'inverse, si le processus d'évacuation est très profond et / ou persiste beaucoup plus longtemps (dans le cas d'accumulateurs décharges à gauche) et les recharges sont partiel, les cristaux de plomb (peu soluble dans le sulfate d'eau) augmentent continuellement en taille et peuvent également se détacher des plaques: dans ce cas, nous disons que la batterie est fortement sulfaté, car il est très difficile de retrouver l'acide liquide à travers un processus normal de charge (matériau tombé au fond de la cellule ne peut plus participer aux processus d'électrolyse, car il n'a pas traversé par le courant de charge / décharge).

En outre, les plaques sont très poreuses (spongieuse) et délicat, en particulier ceux positifs (composés de PbO2), Peut subir une réduction de la surface active utile, car la croissance des cristaux de PbSO4 conduit généralement à un dommage permanent / mécanique et la déformation du même, par conséquent, à une réduction permanente de la capacité réelle de la batterie: en pratique, en fait, les plaques positives sont celles qui a décrété la « mort » de l'accumulateur.

Par conséquent, l'accumulateur maintient la mauvaise charge, augmente sa résistance interne (les cristaux blancs PBSO4 plus mauvais conducteurs de charge électrique, et a également réduit la densité de l'électrolyte contribuent à aggraver la situation) et les appels de courant fournis sont réduits de manière séquentielle, donc que sa capacité: en pratique lentement la batterie est « off », à savoir il cessera de fonctionner dans le moment où une partie de sa cellule aura une ou plusieurs plaques court-circuités / perte de matière active provoquée par la déformation mentionnée ci-dessus.

Sa capacité à fournir une puissance instantanée élevée à la puissance, il est assez puissant. Cette fonction, ainsi que son faible coût, ce qui est pratique pour une utilisation dans véhicules à moteur pour alimenter le moteur de démarrage pour une durée de quelques secondes. Lorsque la batterie est en phase de décharge, on dépose sur les plaques de sulfate de plomb sous forme cristalline, en continuant plus loin dans le processus, augmenter la quantité de sulfate de devenir une couche blanchâtre de sulfate « de blanc de plomb. Entièrement décharge, il interrompt l'activité électrochimique de la même batterie, qui peut et doit être rechargé uniquement à un niveau beaucoup plus faible à sa capacité nominale. Si laissé dans ces conditions pendant une longue période, le sulfate qui sera formé empêchera la charge de la batterie elle-même, ce qui rend complètement inutilisable; Par conséquent, en cas d'accumulation prolongée d'inactivité, il est nécessaire de procéder à sa charge au moins une fois par mois (la fréquence des recharges est étroitement liée à la température de stockage, en fait, les processus d'auto-décharge augmenter l'augmentation de la température).

De plus, même des décharges partielles, mais prolongées et répétées au fil du temps, sans une étape ultérieure de la charge, donner lieu au même phénomène, bien que plus lentement et avec des résultats moins évidents. Une autre cause de la défaillance d'une batterie est trop faible niveau d'électrolyte qui doit toujours couvrir les plaques: cela se produit pour l'évaporation de l'eau pour réformer l'acide après la réaction chimique dans la charge. Si les plaques ne sont pas couverts dans la partie supérieure sont oxydés en raison de l'oxygène dans l'air, la partie inférieure est au contraire dans un liquide beaucoup plus acide rendant possible leur écaillage qui détermine une chute, sur le fond de la batterie, le matériau conducteur qui peut pour arriver au même court-circuit de l'élément de la batterie ou le rendre inutilisable dans le pire des cas provoquer la fusion du même. Pour la garniture doit utiliser uniquement de l'eau distillée, ajouter jamais acide.

le rapport énergie/ Poids et d'énergie / de volume sont relativement faibles, bien que ces dernières décennies ont été quelque peu améliorée principalement en ayant recours à une augmentation substantielle de la surface active des plaques (utilisation de frittage procédés de la matière active et de la réduction de l'épaisseur des plaques et de séparateurs), inconvénient cependant surmontables alors que les véhicules à moteur ont suffisamment d'espace pour les loger et le coût de ces accumulateurs est parmi les plus faibles en termes absolus (grâce à l'utilisation de matières premières très bon marché). En outre, il n'a pas à négliger le fait que, dans les installations de production industrielles actuelles de ce type d'accumulateurs au plomb, l'acide sulfurique et les enveloppes en matière plastique sont recyclés pratiquement plus de 90-95% et qui contiennent des températures de traitement / affinage du plomb de contaminants contribue à la réduction des émissions de dioxyde de carbone par rapport à d'autres types de batteries obtenus avec des matériaux plus précieux et rares.

Dans la batterie état bas les deux électrodes de PbO2 (Pôle positif) et Pb (pôle négatif) sont complètement transformé en sulfate de plomb (PbSO4) Résultant en une forte dilution de l'électrolyte qui, à la limite, peut devenir seulement ~ eau pure pour batterie déchargée à 100%: la température de congélation de la teneur en acide est d'environ -60 ° C avec une densité de 1270-1280 kg / dm ^ 3 (environ 36 à 37% en poids d'acide) pour une batterie complètement chargée (100%). Dans le cas où la batterie est partiellement ou totalement télécharger les diminutions de la concentration de l'acide sulfurique et provoque l 'abaissement cryoscopique la température de congélation de l'eau salée rapidement à environ -7 ° C pour une densité de l'électrolyte de 1.100 kg / dm ^ 3 (14,7% en poids d'acide), qui est responsable d'une capacité résiduelle de l'accumulateur 20 ~ % (dans le cas de décharge complète, la température de congélation augmente à 0 ° C, avec de l'eau seule).

La plupart des batteries au plomb à électrolyte liquide de grande capacité ont des cellules scellées. Cela permet hydrogène et oxygène sortant de la batterie sous la forme d'un mélange gazeux explosif rendant les précautions nécessaires adéquat pour limiter les risques dans l'environnement de charge. Ces gaz sont développés par 'électrolyse de H2OU l'électrolyte liquide en cas de surcharge excessive de la batterie. L'électrolyte acide est également irritant et corrosif pour la peau et les vêtements.

Articles connexes

  • Formules sur la conversion électrochimique
  • nickel-hydrure métallique
  • accumulateur nickel-fer
  • batterie au nickel-cadmium
  • voiture électrique
  • effet mémoire

D'autres projets

liens externes