Comment fonctionne une batterie plomb-acide ?

Les batteries plomb-acide existent depuis plus de 150 ans, et équipent encore aujourd’hui la grande majorité des véhicules. Comment fonctionnent-elles ? C’est une histoire de chimie, découvrez en détail comment on stocke l’électricité dans le plomb lui-même.

Le technologie plomb-acide a l’avantage d’être robuste et peu chère, les batteries ont toutefois une densité énergétique faible, une durée de vie plus courte en nombre de cycles, une efficacité moindre, et une gestion et une maintenance plus difficiles (notamment vis-à-vis de la profondeur de décharge).

Ainsi, pour la mobilité, elles sont supplantées par les batteries Li-ion, qui équipent la majorité des véhicules électriques. Pour, les applications domestiques, elles sont remplacées par les batteries Li-ion et Lithium-Fer-Phosphate (LFP). Néanmoins, de nombreuses installations domestiques utilisent encore aujourd’hui des batteries plomb-acide, notamment pour leur robustesse et leur coût faible.

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Anatomie d’une batterie plomb-acide

Une batterie au plomb est constituée de cellules appelées accumulateurs délivrant une tension de 2,1 volts (V). La mise en série de ces accumulateurs permet de délivrer une tension plus élevée, typiquement six accumulateurs permettront d’atteindre une tension d’environ 12,6 V, classique pour ce type de batteries.

Les accumulateurs sont quant à eux composés d’une succession de couples d’électrodes négatives et positives sous la forme de plaques ou de grilles de plomb. Des séparateurs microporeux sont intercalés entre chaque couple. L’électrode négative est constituée de plomb (Pb) à l’état de métal, éventuellement allié, tandis que l’électrode positive est constituée de dioxyde de plomb (PbO₂). L’ensemble baigne dans une solution aqueuse d’acide sulfurique (H₂SO₄) dilué dans de l’eau (H₂O) à une concentration située entre 29 et 32 %.

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Comment une batterie plomb-acide produit-elle de l’électricité ?

Le principe de fonctionnement des batteries plomb-acide est ancien, puisque les premières batteries rechargeables de ce type ont été inventées en 1859 par le français Gaston Planté. Un accumulateur batterie plomb-acide stocke l’électricité sous une forme chimique, ce qui signifie que le processus de charge / décharge va mettre en jeu des réactions chimiques conduisant plusieurs éléments à interagir entre eux : hydrogène (H), oxygène (O), plomb (Pb) et soufre (S). De ce fait, une batterie plomb-acide entre dans la catégorie dite des « accumulateurs électrochimiques », laquelle regroupe la très grande majorité des systèmes de stockage d’électricité de la vie courante.

Lors de la décharge de la batterie, cette dernière est une source d’énergie, les réactions chimiques sont donc spontanées. Pour ce faire, il faut connecter l’électrode positive avec l’électrode négative par un circuit électrique extérieur, relié aux appareils que l’on cherche à alimenter en électricité. Les ions contenus dans l’électrolyte permettent de transmettre le courant à l’intérieur de la batterie. Le circuit électrique global est donc fermé, permettant la circulation du courant.

L’électrode positive est constituée de dioxyde de plomb PbO₂ dans lequel l’atome de plomb est à un état d’oxydation très élevé – plus précisément son nombre d’oxydation est +IV, c’est-à-dire qu’il a donné 4 électrons pour réaliser la liaison chimique avec les atomes d’oxygène. Dans l’électrode négative, le plomb est à l’état métallique, et son nombre d’oxydation est donc nul.

Lorsque les deux électrodes sont connectées, le plomb métallique de l’électrode négative s’ionise en ion Pb²⁺ (à l’état d’oxydation +II) et produit deux électrons (e^–). Ces électrons vont quitter l’électrode négative, suivre le circuit électrique externe pour rejoindre l’électrode positive, et là, ils vont réduire (c’est-à-dire extraire l’oxygène) du dioxyde de plomb PbO₂ pour former des ions Pb^{2+ –}. Cette réaction s’appelle une médiamutation, c’est-à-dire une réaction entre deux atomes d’un même élément chimique, mais à deux états d’oxydation différents.

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L’électrolyte, constitué d’acide sulfurique dilué, contient de son côté des ions sulfates SO₄^2- et des ions hydronium H⁺, tous les deux aqueux, c’est-à-dire dissous dans l’eau. Les ions SO₄^2- vont réagir avec les ions Pb²⁺, présents aussi bien à l’électrode positive que négative, pour former des cristaux solides de sulfate de plomb PbSO₄. Au niveau de l’électrode positive, les ions oxygène O^2-, libérés par la réduction du PbO₂, réagissent avec les ions H⁺ en solution pour former de l’eau. Si la décharge est totale, les électrolytes, c’est-à-dire les ions sulfate et hydronium, auront été totalement consommés. Il n’y aura donc plus que de l’eau, et la batterie sera totalement déchargée.

Recharge d’une batterie plomb-acide

Lors de la charge de la batterie, on applique une source de tension continue aux bornes des électrodes. Un courant s’établit en produisant des réactions chimiques forcées, plutôt que spontanée, de l’électrolyte et des matériaux qui constituent les électrodes. Le courant circulera alors en sens inverse. À l’intérieur de la batterie, ce sont toujours les ions contenus dans l’électrolyte qui permettent de faire circuler le courant.

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Les cristaux de PbSO₄ formés lors de la décharge sont dissous en formant des ions SO₄^2-, régénérant ainsi l’électrolyte. À l’électrode positive, les ions Pb²⁺ sont oxydés au contact avec l’eau en formant du PbO₂ et en libérant des ions H⁺. À l’électrode négative, les ions Pb²⁺ sont réduits à l’état de plomb métallique.

La situation initiale de la batterie est ainsi régénérée : l’électrolyte retrouve sa composition initiale (eau, SO₄^2-, H⁺), l’électrode positive est bien à nouveau constituée de dioxyde de plomb, et l’électrode négative est bien composée à nouveau de plomb à l’état métal.