• l’accumulateur, ou pile réversible, dans lequel la réaction de combustion fournit des produits qui restent dans l’élé-
ment et qu’il est possible de régénérer par passage en sens inverse du courant, afin de permettre à l’élément de retrouver son état initial, autrement dit d’être rechargé.
Un même couple combustible-comburant peut servir à la réalisation de ces trois types d’éléments. C’est, par exemple, le cas du couple zinc-oxygène, utilisé dans la pile ordinaire au zinc (pile à dépolarisation par l’air), dans certaines piles à combustible, dans lesquelles l’électrode de zinc peut être facilement remplacée après consommation, ou dans l’accumulateur zinc-air, rechargeable par le courant de la General Atomic Co. américaine.
Constitution
des accumulateurs
électriques
Un accumulateur électrique comporte, à côté de constituants essentiels, nombre d’accessoires. Parmi les premiers, il faut considérer :
— les matières actives positive et négative qui, par l’énergie libérée lors de leur réaction, permettent la production d’énergie électrique. Ces matières retrouvent leur état initial au cours de la recharge ;
— les supports de la matière active, dont le rôle est de soutenir les matières actives, constituées généralement de
substances pulvérulentes agglomérées, et d’assurer la distribution du courant jusqu’aux particules de matière. L’ensemble matière active et support constitue une électrode ;
— l’électrolyte, liquide conducteur dans lequel sont plongées les électrodes ; il permet les échanges ioniques entre celles-ci, tout en prenant parfois part aux réactions de décharge et de charge ;
— les séparateurs, qui complètent le soutien de la matière active, isolent les électrodes de polarité opposée et assurent leur écartement ;
— le bac, ou récipient, à l’intérieur duquel sont logés tous les constituants qui précèdent.
Parmi les accessoires, il faut citer les bornes reliant l’accumulateur au circuit extérieur, les tiges polaires et divers conducteurs assurant la distribution du courant entre les bornes et les plaques, les connexions permettant l’association des éléments unitaires en série ou en parallèle pour constituer les batteries, les bouchons permettant le remplissage, le départ des gaz formés pendant la charge, et enfin les caisses de groupement facilitant la manutention des batteries.
Accumulateur au plomb
Dans cet accumulateur, l’électrolyte est constitué en fin de charge d’une solution d’acide sulfurique à la concentration d’environ 28 p. 100.
Les matières actives positive et négative sont respectivement du peroxyde de plomb PbO2 et du plomb spongieux.
Les supports sont de différents types : grilles en plomb antimoine dans le cas des batteries de démarrage, tubes perforés en ébonite ou en matériaux rigides et poreux dans les batteries de traction, plaques de plomb comportant des ailettes dont la surface est peroxydée dans le cas des éléments stationnaires.
Les séparateurs sont constitués de feuilles microporeuses, de feutres de fils de verre ou synthétiques, de simples feuilles de bois, de feuilles perforées et ondulées en plastique ou en ébonite, etc.
Les bacs sont exécutés en matériaux
très divers : plastique, ébonite, grès ou autres matières isolantes résistant à l’acide.
Pendant la décharge, le peroxyde des plaques positives est réduit à l’état de PbO et le plomb des négatives oxydé en PbO. Cet oxyde réagit aux deux électrodes avec l’acide sulfurique pour se transformer en sulfate ; d’où le nom de réaction de double sulfatation repré-
sentant le mécanisme suivant :
PbO2 + Pb + 2 H2SO4 9 2 PbSO4 + 2
H2O.
Pendant la charge, les réactions
inverses se produisent. On voit que l’électrolyte prend part à la réaction ; sa concentration décroît pendant la décharge, ce qui présente un avantage important, puisqu’il devient possible d’apprécier l’état de charge de l’accumulateur par une mesure de la densité de son électrolyte.
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La Grande Encyclopédie Larousse - Vol. 1
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Accumulateurs alcalins
L’électrolyte est constitué d’une solution de potasse à la concentration d’environ 25 p. 100. Dans l’accumulateur fer-nickel (Edison), la matière positive est à base d’oxyde de nickel, additionnée, pour la rendre plus conductrice, de paillettes de nickel ou de graphite, et la matière négative est du fer réduit. À la charge et à la décharge, deux réactions inverses se produisent, que l’on peut représenter par l’équation simplifiée 2 Ni(OH)3 + Fe ! 2 Ni(OH)2 + Fe(O
H)2.
On voit que, pendant la décharge, l’oxyde de nickel est réduit et que le fer est oxydé, l’électrolyte ne prenant pas part à la réaction.
L’accumulateur au cadmium-nickel
(Jungner) ne diffère essentiellement du précédent que par le remplacement du fer par du cadmium.
Dans l’accumulateur à l’argent, la matière positive est constituée d’oxydes d’argent (AgO ou mélange d’AgO et d’Ag2O) et la matière négative de zinc, avec, à la décharge et à la charge, les doubles réactions suivantes :
AgO + Zn + H2O ! Ag + Zn(OH)2 ;
Ag2O + Zn + H2O ! 2 Ag + Zn(OH)2.
Dans cet élément, la solubilité de Zn(OH)2 dans l’électrolyte est un inconvénient que l’on combat par diverses astuces de construction.
La grille ou support de matière active des éléments alcalins peut présenter des formes très différentes : pochettes perforées en acier nickelé, tubes constitués par l’enroulement d’un ruban d’acier nickelé et perforé, grille métallique sur laquelle on dépose la matière active ou encore grille garnie de matière active frittée dans le cas des éléments à plaques extra-minces.
Les bacs sont généralement en acier et plus rarement en matière plastique ; dans le premier cas, ils sont isolés électriquement des électrodes.
Caractéristiques
électriques et
comparaison des
différents types
d’accumulateurs
Un accumulateur est défini par sa capacité et sa tension. La capacité est le nombre d’ampères-heures que l’accumulateur peut débiter dans des conditions de décharge déterminées. On utilise fréquemment un autre paramètre : la capacité massique, qui est le nombre d’ampères-heures que peut fournir un élément par unité de poids.
La force électromotrice d’un accumulateur est une valeur qui dépend du couple adopté et se calcule théoriquement par l’application des lois de la thermodynamique. Elle est de 2,04 volts pour l’accumulateur au plomb, de
1,30 volt pour les éléments au cadmium-nickel et de 1,59 volt pour l’élé-
ment à l’argent. Il s’agit là de la tension en circuit ouvert. Si, au contraire, il y a passage de courant, la tension aux bornes est diminuée (en décharge) ou augmentée (en charge) d’une valeur égale à iR, i étant le courant en ampères qui circule dans l’élément et R sa résistance en ohms.
On voit donc que la tension d’un élé-
ment dépend de son régime de charge ou de décharge. La figure 1 montre la variation de la tension en fonction du régime et de la durée de décharge de l’accumulateur au plomb ; la figure 2
et la figure 3 correspondent respectivement à un accumulateur alcalin cadmium-nickel et à un accumulateur à l’argent. Pendant la décharge, il ne faut jamais dépasser une tension limite inférieure pour ne pas risquer d’abîmer l’élément.
Par la combinaison de la capacité massique et de la tension moyenne en décharge, on peut calculer un autre paramètre : l’énergie massique, ou nombre de watts-heures au kilogramme qu’un accumulateur peut fournir dans des conditions de décharge données.
La figure 4 permet la comparaison des énergies massiques de différents types d’accumulateurs en fonction du régime de décharge.
Cependant, dans une comparaison