Batterie-plomb

Généralités

Une batterie au plomb est composée de plusieurs éléments d'accumulateurs montés en série. La tension d'une batterie au plomb est toujours multiple de 2 volts environ.

La batterie d'un véhicule (automobile, motocyclette) actuel (2005), comporte six éléments, elle a donc une tension électrique de l'ordre de 12 volts. Pour les poids lourds, les bus et les bateaux on trouve plutôt des batteries de 24 volts, pouvant, dans le cas des bateaux et des bus permettre la vie à bord, ainsi que la génération de 220 V par l'intermédiaire d'un onduleur.
En réalité, une batterie 12 volts chargée affichera une tension de 12,8 à 13,2 volts ; si la tension d'une batterie chargée est inférieure à 11,4 volts, la batterie sera en fin de vie. Même non branchée, une batterie au plomb se décharge lentement du fait de diverses réactions chimiques parallèles présentes, qui peuvent conduire à la « sulfatation » de la borne positive (poudre blanchâtre).

La capacité d'une batterie est donnée en Ah (ampère.heure). Deux éléments associés en série doubleront la tension disponible, pour une même capacité, mais deux éléments associés en parallèle doubleront la capacité de la batterie pour une tension disponible inchangée.

Sa capacité disponible varie suivant le courant de décharge et est exprimée comme suit par convention: 12 V 1 000 Ah C/20, qui signifie que la batterie déchargée à un courant de 1 vingtième de sa capacité pourra fournir 1 000 Ah. La même batterie déchargée à un courant plus important tel que C/2 aura une capacité utile plus faible de l'ordre de 80 % de celle à C/20. De la même manière, cette batterie soumise à un courant de décharge de C/50 (soit 20 A) pourra fournir + de 1 000 Ah. Le phénomène est connu sous le nom d'effet Peukert et est lié à la résistance interne de la batterie; plus on décharge fort et plus la chute de tension est importante, faisant atteindre le seuil de tension minimale critique plus rapidement (10,75 V pour une batterie au plomb) et obligeant à stopper la décharge sous peine de détérioration.

La capacité indiquée d'une batterie n'est en aucun cas sa capacité utilisable sans détérioration. Suivant le type de batteries, on pourra utiliser de 80 % (batteries stationnaires) à 10 % (batteries de démarrage) de cette capacité.

Technique de construction

Éclaté d'une batterie au plomb

Bac.
Couvercle.
Plaques.
Séparateurs.
Bornes, le plus gros diamètre est le + .
Barrettes de liaison des éléments.
Électrolyte (acide sulfurique).

Chaque élément est constitué d'un bac rempli d'acide sulfurique (H₂SO₄) dilué entre 30 et 38 % (concentration de l'ordre de 5M), dans lequel baignent des plaques constituées d'un composé de plomb alvéolé :

Les alvéoles procurent une plus grande surface de contact avec l'électrolyte (augmentation de la capacité).
Les plaques négatives sont en litharge.
Les plaques positives sont en minium.
Afin d'assurer la position des plaques, des entretoises ou des séparateurs faits d'un matériaux poreux, résistant à l'acide et neutre, garantissent l'espacement des plaques.

Fonctionnement

Pendant la charge et la décharge, la constitution chimique des électrodes varient.

Décharge

Électrode positive + ou cathode : le dioxyde de plomb PbO₂ (dépôt brun) se transforme en sulfate de plomb PbSO₄ en libérant de l'oxygène O₂ et en consommant des électrons.

Électrode négative - (anode) : le plomb fixe la partie sulfurée de l'acide pour donner du sulfate de plomb PbSO₄ et libérer des électrons.

Dans les deux cas, du sulfate de plomb est produit par les réactions chimiques.

Charge

Les réactions chimiques s'inversent et les plaques retournent progressivement à leur état d'origine. Comme il faut apporter les électrons consommés à la borne négative, il est impératif de brancher la borne moins - du chargeur sur la borne moins de la batterie. Une batterie au plomb se charge en lui appliquant un courant continu d'une valeur quelconque pourvu qu'elle n'entraîne pas aux bornes de la batterie l'apparition d'une tension supérieure à 2,35 à 2,40 V/élément (valeur à 25°C). L'application de cette règle conduit à constater dans la pratique deux phases de charge successives: 1/ La phase dite CC ("constant current" ou courant constant) au cours de laquelle la tension par élément est inférieure à 2,35V malgré l'application du courant maximum dont est capable le chargeur: le courant est déterminé par le chargeur, et la tension par la batterie. La tension aux bornes de chaque élément augmente au fur et à mesure que la batterie se recharge. 2/ La phase dite CV ("constant voltage" ou TC "tension constante"), dite aussi "phase d'absorption" commence dès lors que la tension par élément atteint la valeur de 2,35V/élément puisque l'application de la consigne ci-dessus conduit le chargeur (système asservi le transformant en un générateur de tension) à ajuster le courant de telle sorte que la tension reste égale à 2,35 V/élément alors que la batterie continue de se charger. Le courant au cours de cette phase est donc une fonction décroissante du temps. Il tend théoriquement vers 0 asymptotiquement.

Fin de charge: En pratique, le courant de charge en phase CV ne s'annule pas. Il se stabilise à une valeur faible mais non nulle qui n'accroît plus l'état de charge mais électrolyse l'eau de l'électrolyte. On préconise donc d'interrompre la charge, ou, si l'on veut appliquer une charge permanente (dite d'entretien ou de "floating", afin de compenser le phénomène de décharge lente décrit ci-dessous), de baisser la tension de consigne à une valeur de l'ordre de 2,3 V/élément.

Remarque La charge CC/CV s'est généralisée car elle seule permet de charger à fort courant (donc rapidement) sans endommager la batterie. Ce mode de charge est utilisé dans toutes nos automobiles: en phase CC, le courant de charge dépend essentiellement de la vitesse de rotation de l'alternateur (et donc du moteur). En phase CV, la tension de consigne est maintenue par l'asservissement que constitue le régulateur de tension. Celui-ci diminue en effet le courant d'excitation de l'alternateur, de façon à ce que le courant de sortie de l'alternateur n'ait jamais pour résultat une tension supérieure à 2,35 V/élément (avec une légère correction en fonction de la température). Lorsque (cas des chargeurs bon marché) l'on ne dispose pas d'un chargeur capable de limiter sa tension à la valeur de consigne correspondant à 2,35 V/élément, on recommande de limiter le courant de charge à par exemple 10% de la capacité de la batterie afin de minimiser les conséquences dommageables du dépassement de tension qui risque de se produire en fin de charge: pour une batterie de 1000Ah on utilisera un chargeur 80 à 100A.

Défauts

Théoriquement oxygène et hydrogène se recombinent tandis que le sulfate de plomb qui se forme pendant la réaction disparaît.
En pratique, du fait de la présence d'une différence de potentiel (tension) une partie de l'eau disparaît sous forme de dégagement d'oxygène et d'hydrogène, et du sulfate de plomb se dépose petit à petit (en particulier à la borne positive de la batterie), ce qui conduit à la détérioration lente de la batterie. Ce phénomène explique la décharge lente d'une batterie qui n'est pas branchée. Un couvercle et une ventilation haute et basse de la batterie (dans le cas d'une batterie stationnaire) doivent être prévu pour exporter l'hydrogène hors du lieu d'utilisation de la batterie. La ventilation peut être active ou passive.
Les compartiments d'une batterie ne doivent pas contenir d'impuretés sous peine d'introduire des réactions chimiques parasites qui favoriseront la détérioration de sa capacité à stocker l'énergie électrique. C'est pourquoi il est nécessaire de compléter les niveaux avec de l'eau déminéralisée.
Du fait de la présence de plomb en grande quantité, une batterie est un objet lourd (compter environ une tonne pour une batterie stationnaire de 1000Ah).
Le prix des batteries augmente avec les besoins croissants de la Chine (principalement) en matières premières (plomb).
Pendant la charge de batteries, de l’hydrogène et de l’oxygène s’échappent des éléments de batteries utilisant des électrolytes aqueux. Ce dégagement résulte de l’électrolyse de l’eau par le courant de charge. 1 Ah décompose l’eau (H₂O) en 0,42 litres de H₂ + 0,21 litres de O₂.
La charge d'une batterie est endothermique. La décharge d'une batterie est exothermique.
Le plomb est un métal lourd, toxique et polluant. Il est nécessaire de recycler les batteries usagées.