31èmes Olympiades de la Chimie CHIMIE ET ENERGIE Les batteries

Introduction De nos jours, besoin d’électricité et d’appareils portables et autonomes Nécessité de stocker de l’énergie  Conversion de l’énergie électrique sous une autre forme d’énergie : Rôle des batteries Objectif : Créer un système fournissant un maximum d’énergie et de puissance pour un minimum de volume et de masse

Définitions Batterie = Système électrochimique : Transformation de l’énergie chimique, générée par des réactions électrochimiques, en énergie électrique et vice versa Pile ≠ Accumulateur ≠ Batterie Ensemble d’accumulateurs Système irréversible Système réversible Piles à combustible = Apport permanent de réactifs aux électrodes, combustible à l’anode et comburant à la cathode

Rappels Une réaction d’oxydo-réduction : Oxydation Ox + n e- = Red Oxydant Réducteur Réduction Un couple oxydant / réducteur : Ox/Red Réaction d’oxydo-réduction entre deux couples : Cu2+ + 2 e- → Cu Fe → Fe2+ + 2 e- Soit Cu2+ + Fe → Fe2+ + Cu

Principe d’une batterie Pile, accumulateur, batterie = GENERATEURS ELECTROCHIMIQUES  Electricité fournie à partir de deux réactions électrochimiques réalisées sur deux électrodes baignant dans un électrolyte Anode Oxydation Borne – Red1 → Ox1 + x e- Cathode Réduction Borne + Ox2 + y e- → Red2 Déplacement d’ions dans l’électrolyte et passage d’électrons dans le circuit extérieur y Red1 + x Ox2 → y Ox1 + x Red2 (-) Red1(s)/ Ox1 (aq) // Ox2 (aq)/Red2(s) (+) Quantité d’électricité débitée : Q = I×∆t

Transfert d’électrons correspondant à une transformation qui n’aurait pas lieu spontanément. Transformation d’énergie électrique extérieure (fournie par un générateur) en énergie chimique. Electrolyse : Anode Oxydation Borne + Red2 → Ox2 + y e- Cathode Réduction Borne - Ox1 + x e- → Red1 y Ox1 + x Red2 → y Red1 + x Ox2 Charge électrique transférée d’une électrode à l’autre grâce au générateur : Q = I×∆t = n(e-)×F

Vocabulaire « Charge » électrique = quantité d’électricité emmagasinée par l’accumulateur (en Ah ou mAh ou en C) Capacité de charge électrique = charge électrique que peut fournir l’accumulateur complètement chargé pendant un cycle complet de décharge (en Ah ou mAh) Energie stockée dans l’accumulateur = charge électrique multipliée par la tension moyenne sous laquelle cette charge est déchargée (en Wh ou en J) Cyclabilité d’une batterie = durée de vie c’est-à-dire le nombre de fois où elle peut restituer le même niveau d’énergie après chaque nouvelle charge

(-) PbO2(s)/PbSO4 // PbSO4/Pb(s) (+) Les différents types de batteries Historique : 1786 : Découverte par Galvani de l’existence des phénomènes électrochimiques 1800 : Volta réalise la première pile 1836 : pile Daniell 1859 : Mise au point de la batterie au plomb par Siensteden et Planté 1897 : Découverte de l’électrode au nickel par Jüngner 1970 : Premières piles au lithium L’accumulateur au plomb : (-) PbO2(s)/PbSO4 // PbSO4/Pb(s) (+) Le plus ancien Premier accumulateur rechargeable Courant de grande intensité Durée de vie de 4 à 5 ans Polluant Application pour le démarrage de la plupart des véhicules automobiles

(-) Cd(s)/Cd(OH)2 // NiOOH/Ni(OH)2 (+) L’accumulateur nickel-cadmium : (-) Cd(s)/Cd(OH)2 // NiOOH/Ni(OH)2 (+) La plus ancienne des batteries au nickel Puissance importante Durée de vie de 2 à 3 ans Polluante Dépassée en terme d’autonomie Application pour les appareils portatifs (téléphones, ordinateurs…) L’accumulateur nickel-métal hydrure : Technologie récente Excellent rapport prix / durée de vie Fragiles car elles craignent les surcharges Applications pour équiper les voitures hybrides

L’accumulateur au lithium : Technologie en cours de développement - technologie lithium-métal : problèmes de sécurité - technologie lithium-ion : utilisation d’un composé d’insertion pour conserver le lithium à l’état ionique mais problèmes de sécurité - technologie lithium-polymère Durée de vie de 2 à 4 ans Coût élevé Grande quantité d’énergie Applications sur le marché de l’électronique portable