Introduction
En général, il existe deux types de batteries de stockage au plomb-acide, basées sur leur méthode de construction. Ces batteries sont soit classées comme inondées (ventilées) soit scellées. Les batteries inondées et scellées diffèrent également dans leur fonctionnement. Toutes les batteries au plomb-acide produisent de l'hydrogène et de l'oxygène (dégazage) aux électrodes pendant la charge par un processus appelé électrolyse. Ces gaz sont autorisés à s'échapper d'une cellule inondée, cependant, la cellule scellée est conçue pour contenir et recombiner les gaz. Il convient de noter que le gaz hydrogène est explosif dans l'air à seulement 4% en volume. Les batteries au plomb-acide inondées et scellées sont discutées dans les paragraphes suivants.
Batteries au Plomb-Acide Inondées
Les cellules inondées sont celles où les électrodes/plaques sont immergées dans un électrolyte. Étant donné que les gaz créés pendant la charge sont ventilés dans l'atmosphère, de l'eau distillée doit être ajoutée occasionnellement pour ramener l'électrolyte à son niveau requis. L'exemple le plus familier d'une cellule au plomb-acide inondée est la batterie automobile 12-V.
Batterie Automobile au Plomb-Acide Inondée
Batteries au Plomb-Acide Scellées
Ces types de batteries confinent l'électrolyte, mais disposent d'une valve pour permettre aux gaz de s'échapper si la pression interne dépasse un certain seuil. Pendant la charge, une batterie au plomb-acide génère du gaz oxygène à l'électrode positive.
Les batteries au plomb-acide scellées sont conçues pour capturer et recombiner l'oxygène généré pendant la charge. Cela s'appelle un cycle de recombinaison de l'oxygène et fonctionne bien tant que le taux de charge n'est pas trop élevé. Un taux de charge trop élevé peut entraîner une rupture du boîtier, un emballement thermique, ou des dommages mécaniques internes.
La batterie régulée par valve est le type le plus courant de batterie scellée. Elle a été développée pour des applications stationnaires et de télécommunications. Ces batteries scellées ont une valve contrôlée par ressort qui ventile les gaz à une pression prédéterminée. Les seuils de pression typiques vont de 2 à 5 psig, selon la conception de la batterie. Bien que le terme "régulée par valve" soit souvent utilisé pour décrire les batteries au plomb-acide scellées, toutes les batteries scellées ne sont pas régulées par valve. Certaines conceptions utilisent des bouchons de ventilation remplaçables ou d'autres mécanismes pour soulager l'excès de pression. Les batteries scellées ont été développées pour réduire l'entretien requis. Étant donné que les niveaux d'électrolyte sont préservés en piégeant et recombinant les gaz, il ne devrait pas être nécessaire d'ajouter de l'eau distillée pendant la durée de vie de la batterie. Ces batteries sont souvent mal nommées "sans entretien". En réalité, toutes les pratiques d'entretien applicables aux batteries non scellées s'appliquent également aux batteries scellées. La seule exception est que les niveaux d'électrolyte ne peuvent pas, et ne devraient pas avoir besoin d'être, maintenus.
Les batteries de type scellé sont souvent évitées pour les applications de source d'alimentation de secours pour plusieurs raisons. Une raison est que l'état de charge des batteries de type scellé ne peut pas être déterminé par la mesure habituelle de la densité spécifique. Des méthodes alternatives fiables pour mesurer l'état de charge des batteries de type scellé sont en cours de développement. Une deuxième raison est leur sensibilité aux températures élevées.
Composants et Fonctionnement de la Batterie
Cellules vs. Batteries
Une batterie est un dispositif qui convertit l'énergie chimique contenue dans ses matériaux actifs en énergie électrique par le biais d'une réaction électrochimique. Bien que le terme "batterie" soit souvent utilisé, l'élément électrochimique de base auquel on fait référence est la cellule. Une batterie se compose de deux ou plusieurs cellules connectées électriquement en série pour former une unité. Dans l'usage courant, les termes "batterie" et "cellule" sont utilisés de manière interchangeable.
Cellules et Batteries Primaires et Secondaires
Les batteries sont soit primaires soit secondaires. Les batteries primaires ne peuvent être utilisées qu'une seule fois car les réactions chimiques qui fournissent le courant électrique sont irréversibles. Les batteries secondaires (ou de stockage) peuvent être utilisées, chargées et réutilisées. Dans ces batteries, les réactions chimiques qui fournissent le courant électrique sont facilement réversibles de sorte que la batterie est chargée.
Les batteries primaires sont courantes car elles sont bon marché et faciles à utiliser. Les utilisations familières des batteries primaires sont dans les lampes de poche, les montres, les jouets et les radios. L'utilisation la plus courante des batteries secondaires (de stockage) est pour le démarrage, l'éclairage et l'allumage (SLI) dans les automobiles et les groupes électrogènes. D'autres applications incluent les alimentations sans interruption (UPS) pour l'alimentation d'urgence et de secours, les véhicules électriques (traction), les télécommunications et les outils portables. Le reste de cet article ne concernera que les batteries de stockage sauf lorsque les caractéristiques générales de fonctionnement des batteries sont discutées.
Composants de la Batterie
Une cellule a cinq composants principaux comme montré dans l'image ci-dessous.
Composants Principaux d'une Cellule
L'électrode négative fournit des électrons au circuit externe (ou charge) pendant la décharge. Dans une batterie de stockage au plomb-acide entièrement chargée, l'électrode négative est composée de plomb spongieux (Pb).
L'électrode positive accepte les électrons de la charge pendant la décharge. Dans une batterie au plomb-acide entièrement chargée, l'électrode positive est composée de dioxyde de plomb (PbO2). Il convient de noter que les électrodes d'une batterie doivent être de matériaux dissemblables, sinon la cellule ne pourra pas développer un potentiel électrique et donc conduire un courant électrique.
L'électrolyte complète le circuit interne de la batterie en fournissant des ions aux électrodes positives et négatives. L'acide sulfurique dilué (H2SO4) est l'électrolyte dans les batteries au plomb-acide. Dans une batterie au plomb-acide entièrement chargée, l'électrolyte est composé d'environ 25% d'acide sulfurique et 75% d'eau.
Le sépérateur est utilisé pour isoler électriquement les électrodes positives et négatives. Si les électrodes sont autorisées à entrer en contact, la cellule sera court-circuitée et deviendra inutile car les deux électrodes seraient au même potentiel. Le type de sépérateur utilisé varie selon le type de cellule. Les matériaux utilisés comme sépérateurs doivent permettre le transfert d'ions entre l'électrolyte et les électrodes. De nombreux sépérateurs sont fabriqués à partir d'un matériau plastique poreux ou de fibre de verre.
Les composants ci-dessus sont logés dans un contenant communément appelé un bocal ou un contenant.
Tension de la Cellule et de la Batterie
Pour qu'une cellule ou une batterie puisse délivrer un courant électrique à un circuit externe, une différence de potentiel doit exister entre les électrodes positives et négatives. La différence de potentiel (généralement mesurée en volts) est communément appelée la tension de la cellule ou de la batterie. Une seule cellule au plomb-acide peut développer une différence de potentiel maximale d'environ 2 V sous charge. Une cellule au plomb-acide complètement déchargée a une différence de potentiel d'environ 1,75 V, selon le taux de décharge.
Capacité et Évaluations de la Batterie
En termes généraux, la capacité d'une cellule/batterie est la quantité de charge disponible exprimée en ampères-heures (Ah). Un ampère est l'unité de mesure utilisée pour le courant électrique et est défini comme un coulomb de charge passant à travers un conducteur électrique en une seconde. La capacité d'une cellule ou d'une batterie est liée à la quantité de matériaux actifs qu'elle contient, ainsi qu'à la quantité d'électrolyte et à la surface des plaques. La capacité d'une batterie/cellule est mesurée en la déchargeant à un courant constant jusqu'à ce qu'elle atteigne sa tension terminale (généralement environ 1,75 volts). Cela se fait généralement à une température constante, dans des conditions standard de 25°C (77°F). La capacité est calculée en multipliant la valeur du courant de décharge par le temps nécessaire pour atteindre la tension terminale.
Le terme le plus courant utilisé pour décrire la capacité d'une batterie à délivrer du courant est sa capacité nominale. Les fabricants spécifient fréquemment la capacité nominale de leurs batteries en ampères-heures à un taux de décharge spécifique. Par exemple, cela signifie qu'une batterie au plomb-acide évaluée à 200 Ah (pour un taux de 10 heures) délivrera 20 ampères de courant pendant 10 heures dans des conditions de température standard (25°C ou 77°F). Alternativement, un taux de décharge peut être spécifié par son taux de charge ou taux C, qui est exprimé comme un multiple de la capacité nominale de la cellule ou de la batterie. Par exemple, une batterie peut avoir une évaluation de 200 Ah à un taux de décharge C/10. Le taux de décharge est déterminé par l'équation ci-dessous:
Taux C/10 (ampères)= 200 Ah/10 h = 20 ampères
La capacité de la batterie varie avec le taux de décharge. Plus le taux de décharge est élevé, plus la capacité de la cellule est faible. Des taux de décharge plus faibles entraînent une capacité plus élevée. La documentation des fabricants sur les batteries spécifiera normalement plusieurs taux de décharge (en ampères) ainsi que le temps de décharge associé (en heures). La capacité de la batterie pour chacun de ces différents taux de décharge peut être calculée comme discuté ci-dessus.
La capacité nominale pour les batteries au plomb-acide est généralement spécifiée aux taux de 8, 10 ou 20 heures (C/8, C/10, C/20). Les batteries UPS sont évaluées à des capacités de 8 heures et les batteries de télécommunications sont évaluées à des capacités de 10 heures.
Connexions en Série et en Parallèle
Les cellules et les batteries peuvent être connectées en série, en parallèle, ou en combinaisons des deux. Les cellules ou batteries connectées en série ont la borne positive d'une cellule ou batterie connectée à la borne négative d'une autre cellule ou batterie. Cela a pour effet d'augmenter la tension globale mais la capacité globale reste la même. Par exemple, la batterie automobile au plomb-acide 12-V contient 6 cellules connectées en série, chaque cellule ayant une différence de potentiel d'environ 2 V. Un autre exemple de cellules ou batteries connectées en série est montré dans l'image ci-dessous.
Les cellules ou batteries connectées en parallèle ont leurs bornes similaires connectées ensemble. La tension globale reste la même mais la capacité est augmentée. Par exemple, si deux batteries automobiles 12-V étaient connectées en parallèle, la tension globale des batteries serait toujours de 12 V. Cependant, les batteries connectées auraient deux fois la capacité d'une seule batterie 12-V. Un autre exemple de cellules ou batteries connectées en parallèle est montré dans l'image ci-dessous.
Cellules Connectées en Série
Cellules Connectées en Parallèle
Les batteries peuvent également être connectées en combinaison série/parallèle. Les batteries sont ajoutées en série jusqu'à ce que la tension désirée soit obtenue, et en parallèle jusqu'à ce que la banque de batteries réponde aux exigences de capacité. Seules des cellules ou batteries similaires doivent être connectées ensemble. Connecter des cellules ou batteries de différentes évaluations ou de différents fabricants peut produire des résultats indésirables ou même dangereux.
Comment Fonctionnent les Batteries au Plomb-Acide
Ressources Supplémentaires
https://electrical4u.com/zinc-carbon-battery
https://britannica.com/technology/battery-electronics/Lithium-batteries
https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries