 | La batterie au plomb |
Voici quelques lignes, photos et illustrations pour vous décrire les principes de l'accumulateur de votre voiture.
Cet accumulateur stocke l'énergie électrique qui vous permet d'alimenter le démarreur et, à l'occasion, il vous offre aussi un moment de répit pour vous permettre de réparer votre alternateur.
Ce post s'applique aux batteries au plomb.
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Principes de fonctionnement
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La batterie au plomb est un accumulateur électrochimique. Les accumulateurs électrochimiques sont des systèmes "réversibles", c'est à dire qu’ils peuvent stocker l'énergie électrique sous forme chimique et restituer cette énergie électrique sur demande, grâce à la réversibilité de la transformation.
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Description
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• L'électrode positive (anode) est une plaque en plomb, renforcée par des nervures, entre lesquelles sont disposées des lamelles ou des tubes en bioxyde de plomb (PbO2).
• L'électrode négative (cathode) est une plaque de plomb à surface gaufrée dont les alvéoles sont garnies de plomb spongieux (Pb).
• L'électrolyte est une solution d'acide sulfurique dont la densité varie en fonction de l'état de charge de la batterie
(Chargée : 35% acide & 65% eau / Déchargée 15% acide & 85% eau). La décharge a lieu lorsqu’un courant circule à l’extérieur de l’élément, au travers d’une charge (ici une ampoule).
La décharge complète est atteinte lorsque l’électrode positive est saturée en sulfate de plomb.
La densité de l'électrolyte est alors de 15% acide - 85% eau.
Variation de densité
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Densité - En décharge
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Le phénomène de décharge est exothermique.
Lors de la décharge de l'eau se forme et la concentration de l'acide sulfurique décroît. Si la décharge est trop profonde, l'acide sulfurique attaque les plaques en donnant du sulfate de plomb dense. Ce sulfate de plomb ne sera plus transformé par la suite. L'accumulateur se sulfate, il finit par devenir inutilisable.
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Densité - En charge
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Le phénomène de charge est endothermique.
Lors de la charge, de l'acide sulfurique se forme. Le moyen le plus sûr de vérifier l'état de charge d’une batterie est de mesurer la densité de l'électrolyte, ce qui permet de connaître la concentration en acide. En fin de charge, si on prolonge le passage du courant, l'hydrogène et l'oxygène résultant de la décomposition de l'eau finissent par se dégager à l'état gazeux sur les électrodes (Électrolyse).
Il existe différents appareils pour mesurer la densité de l'électrolyte. Tension (pour un élément)
La tension aux bornes d'un élément d'accumulateur au plomb est voisine de 2.2V. Il est conseillé de garder la valeur de la tension de chaque élément entre 1,8V et 2,4V suivant l'état de charge en conditions normales de fonctionnement (25°C).
Charge
Pendant la charge, l'accumulateur est un récepteur. Si on représente la différence de potentiel en fonction du temps, on constate qu'après un court régime transitoire la différence de potentiel s'établit aux environs de 2,2 V. En fin de charge (point F), un accroissement rapide de la tension apparait. Les plaques, complètement polarisées, ne retiennent plus 1'oxygène et l'hydrogène dégagés. La fin de charge est atteinte à 2,4 V.
Décharge
Pendant la décharge, l’accumulateur est un générateur. Si on représente la différence de potentiel en fonction du temps, on constate que pendant une assez longue durée d'utilisation la différence de potentiel reste remarquablement constante à la valeur de 2V environ. En fin de décharge, à partir du point E, la différence de potentiel diminue brusquement (passe sous 1,8 V). Il faut alors recharger l'accumulateur, sous peine de voir apparaître la sulfatation cristalline des plaques.
La décharge ne doit pas être poussée trop loin. On ne doit pas descendre en dessous de 1,8 V par élément car le dépôt de sulfate sur les plaques devient alors très dur et très résistant. Ce sulfate durci est insoluble, les plaques sont alors endommagées de manière quasi irréversible. Ce type de sulfatation difficilement réversible entraîne une perte de capacité et une augmentation de la résistance interne.
Notes
1) On voit qu'il est important de surveiller la charge ou la décharge d'une batterie au plomb. Car un fonctionnement prolongé en charge ou en décharge aboutirait à la destruction définitive de l'accumulateur.
2) Une charge « idéale » s’effectue en utilisant une intensité de C/10h et devrait durer 11heures.
Influence de la température de l'électrolyte pendant la charge :
a. La température a une grande influence sur la conductibilité de l'électrolyte et sur la vitesse de diffusion. Les températures les plus favorables pour charger un accumulateur sont comprises entre 25 °C et 45°C, les charges se font mal aux hautes et aux basses températures.
b. D’autre part les températures élevées ont une mauvaise influence sur la tenue des matières actives, elles augmentent les risques de désagrégation et elles augmentent considérablement le dégagement gazeux.
On peut admettre qu'au-delà d'une température de 65°C, les dégâts sont irréparables. Normalement, on ne devrait pas dépasser, en charge, la température de 45°C. En cas d'échauffement au-dessus de cette limite, il est nécessaire de réduire ou de stopper la charge.
Les accumulateurs au plomb doivent être protégés contre le gel. Même s'ils peuvent supporter des températures aussi basses que –40°C lorsqu'ils viennent d'être chargés, leur résistance au froid est beaucoup moins bonne lorsqu'ils sont partiellement déchargés (-5°C à 25% de charge). Il faut donc tenir les accumulateurs bien chargés en hiver, car autrement l'eau gèle, ce qui fend le bac et détruit la batterie.
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Structure des batteries
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Pour obtenir une capacité importante (Ah), il faut disposer d’une grande surface d’échange.
Et pour obtenir une tension de l'ordre de 12V, il faut cascader plusieurs éléments car un élément fournir une différence de potentiel de l'ordre de 2,2V.
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Résistance interne
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La résistance interne d'un accumulateur est très faible (de l'ordre de 2 milli Ohm).
Attention : Si, accidentellement, les deux bornes sont reliées par un conducteur, lui-même de faible résistance, la résistance totale du circuit reste très faible et l'intensité du courant débité est important (plusieurs centaines d’ampères). L’énergie fournie par l'accumulateur sera considérable et elle peut détruire mécaniquement l’accumulateur.
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Capacité
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On appelle capacité la quantité d'électricité, évaluée habituellement en ampères-heures (Ah), qu'un accumulateur chargé peut faire circuler pendant la période de décharge.
La capacité d'un élément est fonction du régime de décharge, la capacité nominale (Cn) d'une batterie étant donnée, généralement, pour un régime de décharge en 10 h (C/10).
Pour un régime de décharge plus élevé (I > C/10) la capacité diminue.
Pour un régime de décharge plus faible (I < C/10) la capacité augmente.
Le courant de décharge est évalué en fractions de la capacité exprimée en Ah.
Exemple : Un accumulateur de 60 Ah à C/10 peut fournir un courant de 6 A pendant 10 h. Sa capacité sera réduite à environ 48 Ah pour un régime de décharge à I = C/5 = 20A tandis que la capacité pourra être augmentée à environ 84Ah pour un régime de décharge à I = C/100 = 0.6 A.
La capacité d'un élément est fonction de sa température, plus la température est basse, plus sa capacité diminue.
L’énergie massique est de 40 à 80kJ/kg, l’énergie volumique est de 150 à 300kJ/dm³.
Le domaine de températures à l’intérieur duquel l’utilisation d’un accumulateur au plomb est possible va de -40°C à +50°C.
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Auto décharge
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L’auto décharge est une caractéristique interne découlant de la technologie utilisée et est généralement donnée pour une température de 20 °C.
Le taux d’auto décharge d'un accumulateur représente la perte moyenne relative de capacité par mois. Elle est de l'ordre de 10 % par mois, pour les plaques au plomb antimonieux (cet alliage a pour but d'augmenter la tenue mécanique), elle varie très rapidement avec la température (elle double de valeur tous les 10 °C).
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Durée de vie
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La durée de vie des accumulateurs est directement liée à leurs conditions d'utilisation. En limitant la profondeur de décharge (< 15 % Cn), on estime la durée de vie des batteries à 5 ou 6 ans.
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Entretient d'une batterie
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L'entretient assez rudimentaire d'une batterie d'automobile fait que celle-ci possède une durée de vie moyenne de 5 ans.
Pour les batteries dites avec entretient, on doit fréquemment (15jours) vérifier le niveau de l'électrolyte et le maintenir environ 1,5cm au-dessus des éléments. Si le niveau est inférieur à cette référence, il faut faire l'appoint avec de l'eau distillée (voire déminéralisée).
Une batterie partiellement déchargée ne doit pas être abandonnée à elle-même, en effet, un repos prolongé provoque la sulfatation des plaques. Le dépôt blanchâtre de sulfate de plomb sur les plaques devient dur et insoluble dans l'acide. La surface active des plaques est réduite et leur résistance interne augmente. La capacité de la batterie est réduite.
Si la sulfatation est légère, on peut la faire disparaître en faisant subir à la batterie une longue charge à faible intensité.
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La sulfatation irréversible
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On dit en fait qu'il y a "sulfatation" lorsqu'il devient impossible de réduire le sulfate de plomb en plomb et peroxyde de plomb par une charge normale. La charge est plus difficile et la dé sulfatation ne se fait plus que partiellement. Le sulfate de plomb s'infiltre par capillarité et remonte jusqu'aux bornes de la batterie. Par ailleurs la capacité de la batterie diminue rapidement. Elle semble, d'après la tension mesurée à ses bornes, se recharger rapidement mais elle se décharge aussi plus rapidement.
Si les bornes et les cosses sont sulfatées, les nettoyer avec de l'eau chaude, ensuite les frotter avec une brosse au laiton (douce), ensuite les enduire de graisse pour les protéger.
Les causes principales de la sulfatation sont :
une décharge trop importante ceci peut résulter :
o D’une décharge volontaire conduite trop loin,
o de l’abandon d’une batterie déchargée pendant un temps trop long,
o de l’insuffisance persistante de charge,
o d’une utilisation à une température excessive vis-à-vis de la densité de l’électrolyte convenable
o d’une valeur excessive de la densité de l’électrolyte qui entraîne une attaque spontanée des plaques ceci peut résulter :
d’une erreur, lors du remplissage initial de la batterie,
d’erreurs ou d’omission dans la réfection des niveaux
des impuretés introduites notamment par l’électrolyte.
Remèdes à la sulfatation
Il faut commencer par analyser l’électrolyte qui devra être remplacé s’il contient une quantité excessive d’impuretés. Une sulfatation légère doit disparaître après une charge normale suivie d’une surcharge à faible régime.
Pour traiter une sulfatation importante, on charge l’accumulateur dans un électrolyte de faible densité. Il suffît, à l’issue d’une charge complète normale, d’enlever l’électrolyte et de le remplacer par de l’eau distillée. On charge alors à très faible régime (200mA) pendant plusieurs jours (semaines). La dé sulfatation est complète lorsque la densité de l’électrolyte cesse de croître.
Il faut éviter tout dégagement gazeux important. On règle ensuite la densité de l’électrolyte à sa valeur normale. Ce traitement peut être renouvelé une seconde fois en cas de nécessité. Si, après un second traitement, la dé sulfatation n‘est pas obtenue c’est que Ies dommages sont trop importants.
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Dégagement d'hydrogène
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Il est essentiel de diluer l'hydrogène dégagé de façon à ne jamais atteindre un taux de concentration dans l'air permettant son inflammation. La limite au-delà de laquelle il y a risque d'inflammation est de 4% dans les conditions les plus pessimistes. C'est pourquoi la limite de sécurité du pourcentage d'hydrogène admis est généralement fixée à 3% (en volume).
Les paramètres importants influant sur le dégagement d'hydrogène sont :
• Régime de fonctionnement : au repos un accumulateur dégage environ deux fois plus d'hydrogène que lorsqu'il est en légère décharge;
• Usure
• Température : le dégagement d'hydrogène est doublé quand la température de l'électrolyte passe de 25°C à 40°C et l'accroissement est encore plus rapide aux températures supérieures.
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Précautions vis-à-vis de l'acide sulfurique
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On doit employer des gants de caoutchouc et des vêtements spéciaux (la laine résiste à l'acide sulfurique).
En cas de projection d'acide sur le corps, neutraliser avec quelques gouttes d'ammoniaque puis rincer à grandes eaux.
En cas de projection d'acide dans les yeux, rincer à grandes eaux et direction les urgences, sans tarder.
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L’inversion de polarité
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On dit qu’un élément s’inverse lorsque les plaques changent de polarité, les positives deviennent négatives et vice versa. Sur les plaques positives apparaît du plomb grisâtre et sur les négatives on peut observer du peroxyde brun dans le plomb spongieux. Il en résulte des couples locaux sur une même plaque qui sont la source de court-circuit, d’une sulfatation excessive donc d'une augmentation de volume et d’une désagrégation des plaques.
Ceci peut se produire en cas de décharge importante prolongée surtout si la batterie est vieille. Le phénomène est brutal et conduit rapidement à la détérioration définitive de l’élément qu’il faudra ponter pour l’éliminer de la batterie.
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Les courts-circuits internes
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Les court-circuit intérieurs sont des dérivations qui s’établissent à l’intérieur de l’élément entre plaques de polarité différente, Ils peuvent apparaître à la suite de la rupture d’un ou plusieurs séparateurs ou par l’établissement d’un contact par l’intermédiaire des dépôts de matière active au fond du bac. Ils peuvent également résulter d’impuretés contenues dans l’électrolyte. Ces courts-circuits ont en général une résistance ohmique assez forte et les courts-circuits francs sont rares. Ils se traduisent par une diminution de la force électromotrice et de la capacité.
Voilà, vous avez atteint les dernières lignes...
Merci d'avoir eu la patience de lire ce cours jusqu'au bout et n'hésitez pas à me poser des questions si vous le voulez...
PLGJFL205
