La batterie au plomb

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Un peu d'histoire

Volta, physicien italien du début du 19ème siècle fut le premier à générer un courant électrique grâce à un phénomène électrochimique. Quelques années plus tard, toujours au 19ème siècle, Gaston Plante mit au point la première batterie rechargeable. Les batteries que l'on trouve aujourd'hui sont basées sur le même principe. 

En 1881, le luxembourgeois Henri Tudor fonde la société éponyme et industrialise les accumulateurs de Faure en introduisant des plaques de plomb coulé, enduites d'une pâte active. Beaucoup plus robuste, l'accumulateur ouvert tel que nous le connaissons est né. Depuis, les progrès techniques n’ont pas cessé de progresser (propriétés des alliages, additifs des matières actives, composition des pâtes, etc.).

Description

Une batterie au plomb est constituée par un ensemble d'accumulateurs. La tension nominale d'un accumulateur étant d'environ 2.1 V, une batterie de 12 V est constituée de 6 accumulateurs montés en série et reliés par des connexions en plomb soudées. Ces accumulateurs sont logés dans un bac, le plus souvent en plastique ( polypropylène, ABS...), qui est fermé par un couvercle scellé.

Chaque accumulateur est composé d'un ensemble de couples d'électrodes positives et négatives montés en parallèle, au milieu de chaque couple est placé un séparateur.

==> Électrodes positives

Les électrodes positives sont des grilles, en alliage binaire ou ternaire de plomb ( Pb-Sb, Pb-Sn, Pb-Ca, Pb-Sb-As...) dont les alvéoles sont remplis d'une pâte poreuse de peroxyde de plomb PbO2 (matériau actif aux électrodes positives). Les éléments d'alliage permettent d'améliorer les propriétés mécaniques des grilles et ont une influence sur les performances des batteries.

==> Électrodes négatives

Les électrodes négatives comparables aux grilles positives, sont remplies de plomb métalliques très poreux (matériau actif aux électrodes négatives) : on parle d'éponge de plomb métalliques.

Les électrodes sont souvent appelées « plaques » en raison de leur forme.

==> Séparateurs

Afin d'éviter le contact entre les électrodes positives et négatives, et donc des courts-circuits, les plaques sont isolées entre elles par un séparateur. Ces séparateurs sont généralement des feuilles rectangulaires, intercalées entre les plaques positives et les plaques négatives, et possèdent des qualités remarquables :

- isolant électrique parfait
- très grande perméabilité aux ions porteurs de charges électriques
- barrière pour les particules de matières
- porosité élevée
- excellente tenue à l'acide sulfurique

Les séparateurs sont le plus souvent constitués par un feutre de fibres cellulosiques protégées par une résine ou encore par du chlorure de polyvinyle fritté ou des feutres en fibre de verre.

==> Électrolyte

L'électrolyte est une solution diluée d'acide sulfurique, sous forme liquide, de gel ou absorbée dans des feutres en fibre de verre.

==> Expandeurs

Les premiers accumulateurs au plomb industriels ont utilisé des séparateurs en bois. Quand on a mis des séparateurs en plastique ou en fibre de verre, les performances des batteries se sont effondrées ! Avant que l'on comprenne que le bois était chimiquement utile pour maintenir la porosité de la matière active.
Le bois libère des macromolécules organiques en milieu sulfurique. Ces composés appelés ligno sulfonates sont utilisées sous le nom d’expandeurs dans les batteries modernes afin de maintenir leur performance dans le temps.

Principe de fonctionnement

Une batterie au plomb est constituée de cellules appelées accumulateurs délivrant une tension de 2,1Volts. Elles comprennent 6 accumulateurs disposés en séries qui délivrent ainsi une tension totale de 12,6 Volts. Un accumulateur est un ensemble de plaques (positives et négatives) immergées dans une substance acide appelée électrolyte (mélange eau acide sulfurique).

Lorsqu'on applique une source de tension continue aux bornes des plaques (électrodes) un courant s'établit créant une modification chimique des plaques et de l'électrolyte, cette modification produit une différence de potentiel entre les deux plaques. Il est à noter que la circulation des électrons à l'intérieur de l'électrolyte est assurée grâce aux ions.
Durant la décharge les plaques positives subissent une "réduction" c'est à dire qu'elles consomment des électrons et les plaques négatives  libèrent des électrons (réaction d'oxydation). Le phénomène inverse se produit pendant la charge.

Il faut aussi noter la présence d'une réaction concurrente (hydrolyse de l'eau) qui conduit à la génération de gaz (oxygène et hydrogène) et qui "assèche l'électrolyte". Cette réaction est surtout notable en fin de cycle de charge lorsqu'il ne reste plus beaucoup de matière réactive aux électrodes. En fonction de la technologie de la batterie, l'hydrogène et l'oxygène sont plus ou moins recombiné dans l'électrolyte de la batterie ce qui a une influence sur la durée de vie.

D'autre part, d'autres réactions chimiques (oxydation du plomb) entrent en jeu et sont principalement responsables des phénomènes d'auto décharge.

Il existe d'autres familles de batteries pour les outillages portatifs (batterie au Ni-MH) ou pour les téléphones portables (batterie Lithium), mais dans la suite seules les batteries au plomb sont développées leur coût de revient au W/h étant nettement moins cher.