Les batteries plomb-acide sont présentes depuis plus de 150 ans et sont encore largement utilisées aujourd’hui dans la majorité des véhicules. Mais comment fonctionnent-elles réellement ? Découvrez les détails de la manière dont l’électricité est stockée dans le plomb lui-même.
La technologie plomb-acide présente l’avantage d’être robuste et peu coûteuse. Cependant, les batteries ont une faible densité énergétique, une durée de vie plus courte en termes de cycles, une efficacité moindre et une gestion et une maintenance plus difficiles, notamment en ce qui concerne la profondeur de décharge.
Pour la mobilité, elles sont remplacées 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). Cependant, de nombreuses installations domestiques utilisent encore aujourd’hui des batteries plomb-acide en raison de leur robustesse et de leur faible coût.
Anatomie d’une batterie plomb-acide
Une batterie au plomb est composée de cellules appelées accumulateurs qui délivrent une tension de 2,1 volts (V). En les connectant en série, il est possible d’obtenir une tension plus élevée. Par exemple, en utilisant six accumulateurs, on peut atteindre une tension d’environ 12,6 V, ce qui est courant pour ce type de batteries.
Les accumulateurs sont composés de couples d’électrodes négatives et positives sous forme de plaques ou de grilles de plomb. Des séparateurs microporeux sont placés entre chaque couple. L’électrode négative est constituée de plomb (Pb) à l’état métallique, éventuellement allié, tandis que l’électrode positive est constituée de dioxyde de plomb (PbO2). Le tout est plongé dans une solution aqueuse d’acide sulfurique (H2SO4) dilué dans de l’eau (H2O) à une concentration située entre 29 et 32%.
Comment une batterie plomb-acide produit-elle de l’électricité ?
Le principe de fonctionnement des batteries plomb-acide remonte à longtemps, puisque les premières batteries rechargeables de ce type ont été inventées en 1859 par le français Gaston Planté. Une batterie plomb-acide stocke l’électricité sous une forme chimique, ce qui signifie que le processus de charge/décharge implique des réactions chimiques entre plusieurs éléments : hydrogène (H), oxygène (O), plomb (Pb) et soufre (S). Ainsi, une batterie plomb-acide appartient à la catégorie des “accumulateurs électrochimiques”, qui regroupe la plupart des systèmes de stockage d’électricité couramment utilisés.
Lors de la décharge de la batterie, celle-ci devient une source d’énergie et les réactions chimiques se produisent spontanément. Pour cela, il est nécessaire de connecter l’électrode positive à l’électrode négative par un circuit électrique externe, qui est relié aux appareils que l’on souhaite alimenter en électricité. Les ions présents dans l’électrolyte permettent la circulation du courant à l’intérieur de la batterie. Ainsi, le circuit électrique est fermé, permettant au courant de circuler.
L’électrode positive est composée de dioxyde de plomb PbO2, dans lequel l’atome de plomb a un état d’oxydation très élevé, c’est-à-dire qu’il a donné 4 électrons pour former une liaison chimique avec les atomes d’oxygène. Dans l’électrode négative, le plomb est à l’état métallique et son état d’oxydation est donc nul.
Lorsque les deux électrodes sont connectées, le plomb métallique de l’électrode négative s’ionise en ion Pb2+ (état d’oxydation +II) et libère deux électrons (e-). Ces électrons quittent l’électrode négative, suivent le circuit électrique externe pour rejoindre l’électrode positive et réduisent (c’est-à-dire extraient l’oxygène) le dioxyde de plomb PbO2 pour former des ions Pb2+. Cette réaction est appelée médiamutation, c’est-à-dire une réaction entre deux atomes du même élément chimique, mais à deux états d’oxydation différents.
L’électrolyte, composé d’acide sulfurique dilué, contient des ions sulfates SO42- et des ions hydronium H+, tous deux dissous dans l’eau. Les ions SO42- réagissent avec les ions Pb2+, présents à la fois à l’électrode positive et à l’électrode négative, pour former des cristaux solides de sulfate de plomb PbSO4. Au niveau de l’électrode positive, les ions oxygène O2-, libérés par la réduction du PbO2, réagissent avec les ions H+ en solution pour former de l’eau. Si la décharge est complète, les électrolytes, c’est-à-dire les ions sulfate et hydronium, sont entièrement consommés. Il ne reste donc plus que de l’eau et la batterie est complètement déchargée.
Recharge d’une batterie plomb-acide
Lors de la recharge de la batterie, une tension continue est appliquée aux bornes des électrodes. Un courant se produit alors, générant des réactions chimiques forcées, plutôt que spontanées, de l’électrolyte et des matériaux constituant les électrodes. Le courant circule dans la batterie grâce aux ions présents dans l’électrolyte.
Les cristaux de PbSO4 formés lors de la décharge se dissolvent en formant des ions SO42-, régénérant ainsi l’électrolyte. À l’électrode positive, les ions Pb2+ sont oxydés au contact de l’eau, formant du PbO2 et libérant des ions H+. À l’électrode négative, les ions Pb2+ sont réduits à l’état de plomb métallique.
La batterie retrouve ainsi son état initial : l’électrolyte retrouve sa composition initiale (eau, SO42-, H+), l’électrode positive est à nouveau constituée de dioxyde de plomb et l’électrode négative est à nouveau composée de plomb métallique.
