Batterie à plaques tubulaires
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Plaques tubulaires : batterie tubulaire haute contre batterie plate

1. Qu'est-ce qu'une batterie à plaques tubulaires

Introduction aux batteries

Il existe plusieurs types de sources d’énergie électrochimiques (également appelées piles galvaniques, piles voltaïques ou batteries). Une batterie est définie comme un dispositif électrochimique qui convertit l’énergie chimique en énergie électrique et vice versa. Le sujet de la batterie relève de l’électrochimie, qui est définie simplement comme le sujet qui traite de l’interconversion de l’énergie chimique et de l’énergie électrique. Dans cet article, nous allons discuter plus en détail des plaques tubulaires et des plaques semi-tubulaires.

Ces cellules produisent de l’énergie électrique par des réactions spontanées d’oxydoréduction (réactions redox) impliquant les produits chimiques des électrodes positives, négatives et l’électrolyte, se produisant dans chaque électrode, appelée demi-cellule. L’énergie chimique des matériaux actifs est convertie en énergie électrique. Les électrons produits lors de la réaction de réduction passent par le circuit externe reliant les deux demi-cellules, produisant ainsi un courant électrique. La réaction d’oxydation se produit en libérant les électrons du matériau de l’anode (principalement des métaux) et la réaction de réduction se produit lorsque les électrons atteignent la cathode (principalement des oxydes, des chlorures, de l’oxygène, etc.) par le biais du circuit externe. Le circuit est complété par l’électrolyte.

Système de batterie au plomb :

Lorsque le circuit externe est fermé, les électrons commencent à se déplacer à partir du pôle négatif à la suite de la réaction qui convertit (oxyde électrochimiquement) le plomb (Pb) en ions plomb divalents (Pb2+). (Ces derniers ions réagissent avec les molécules de sulfate pour former du sulfate de plomb (PbSO4) à l’intérieur de la cellule). Ces électrons traversent le circuit externe et atteignent la plaque positive où ils transforment le dioxyde de plomb en sulfate de plomb, c’est-à-dire que le dioxyde de plomb est réduit électrochimiquement en sulfate de plomb suite à la transformation des ions Pb4+ en ions Pb2+ dans le PbSO4.

Technologie de batterie à plaques tubulaires

La réaction globale de la cellule s’écrit comme suit :

PbO2 + Pb + 2PbSO4 Charge ↔ Décharge 2PbSO4 + 2H2O

Nous pouvons voir que la valence du plomb (Pb°) augmente jusqu’à Pb

2+

,
en libérant 2 électrons pendant la décharge. Cette augmentation de la valence est appelée oxydation dans la terminologie électrochimique.

Dans l’autre sens, la valence du plomb dans le dioxyde de plomb (Pb a 4 valences dans le dioxyde de plomb) est réduite à 2+.

en absorbant les deux électrons provenant de la réaction d’oxydation. Cette diminution de la valence est appelée réduction en termes électrochimiques.

Ces termes peuvent également être décrits par les changements des potentiels des électrodes individuelles de la cellule pendant la décharge. Le potentiel (tension) de l’électrode principale (anode pendant la décharge) augmente en passant à des valeurs plus positives pendant une décharge. Cette augmentation de la valeur potentielle est appelée oxydation. Ainsi, le potentiel de plaque négatif du plomb dans la cellule plomb-acide passe d’environ -0,35 à environ -0,20 volts. Il s’agit d’une augmentation du potentiel. Cette réaction est donc qualifiée d’anodique par nature.

Au contraire, le potentiel de l’électrode de dioxyde de plomb (cathode pendant la décharge) diminue en se déplaçant vers le côté négatif, c’est-à-dire que la valeur devient de plus en plus faible au fur et à mesure que la décharge se poursuit. Le potentiel de plaque positif du dioxyde de plomb dans la cellule plomb-acide passe d’environ 1,69 à environ 1,5 volt. Il s’agit d’une diminution du potentiel. Par conséquent, cette réaction est qualifiée de cathodique par nature et nous disons que la réduction se produit sur une plaque positive pendant la décharge.

Ces réductions des tensions de travail pendant la décharge sont dues à ce que l’on appelle la polarisation, causée par une combinaison de surtension, η, et de résistance interne, qui se produit sur les deux électrodes. En d’autres termes, la surtension est la différence entre la tension OCV et les tensions de fonctionnement.

Ainsi, pendant la décharge,Edisch = EOCV – ηPOS – ηNEG – IR.

Mais, pour la réaction de chargeECh = EOCV + ηPOS + ηNEG + IR.

La RI fait référence à la résistance interne offerte par les matériaux à l’intérieur de la cellule comme l’électrolyte, le matériau actif, etc. L’IR dépend de la conception de la cellule, à savoir le séparateur utilisé, le pas entre les plaques, les paramètres internes de la matière active (taille des particules, surface, porosité, etc.), la température et la quantité de PbSO4 dans la matière active. Elle peut être présentée comme la somme de plusieurs résistances offertes par le plomb supérieur, la masse active et la couche de corrosion, l’électrolyte, le séparateur et la polarisation des matériaux actifs.

Les trois premiers facteurs sont affectés par la conception de la cellule. Aucune déclaration générale ne peut être faite sur les valeurs de polarisation, mais elle est généralement de la même grandeur que la résistance initiale offerte par le plomb supérieur. Les plaques plus longues ont plus de RI. Elle peut être déterminée à partir de la pente de la partie initiale de la courbe de décharge. Pour un même modèle, une cellule de plus grande capacité aura une résistance interne plus faible. La résistance interne d’une VRLAB 12V/28Ah est de 6 mΩ, alors que celle d’une batterie de plus faible capacité (12V/ 7Ah) est de 20 à 23 mΩ.

Pour les très faibles valeurs de η, la relation entre η et le courant, I, prend la forme de la loi d’Ohm et les équations susmentionnées sont simplifiées comme suit

Edisch = EOCV – IR.
ECh = EOCV + IR.

La discussion ci-dessus traite de la réaction de décharge d’une cellule plomb-acide.
Les phénomènes inverses se produisent lors de la réaction de charge de la cellule plomb-acide.

Dans le cas des batteries primaires, l’électrode positive est généralement appelée cathode tandis que l’électrode négative est appelée anode, ce qui est sans ambiguïté puisque seule une décharge se produit.

Ainsi, l’électrode de plomb qui agissait comme une anode se comporte comme une cathode pendant la réaction de charge et l’électrode de dioxyde de plomb qui agissait comme une cathode se comporte maintenant comme une anode. Pour éviter toute ambiguïté, nous utilisons simplement des électrodes ou plaques positives et négatives dans les cellules secondaires.
Pour illustrer comment cela fonctionne en pratique, la figure suivante montre quelques courbes hypothétiques pour la décharge et la charge d’une batterie plomb-acide.

On voit clairement que la tension de décharge pratique est inférieure à la tension en circuit ouvert de 2,05 V, et que la tension de charge pratique est supérieure à cette valeur. L’écart par rapport à η est une mesure de l’influence combinée de la résistance interne de la cellule et des pertes de polarisation. Chaque fois que le courant de décharge ou de charge est augmenté, la valeur de η devient plus grande, conformément aux équations données ci-dessus.

Fig 1 & 2 Plaque tubulaire
Fig 1 Changements dans la tension d'un LAB et réactions Redox de la plaque positive et négative.
Fig. 2 Changements de tension des plaques et de la cellule pendant la charge et la décharge. L'exemple pris est celui d'une cellule plomb-acide.

Pour résumer les réactions :
Le plomb, la matière active négative :
Pendant la décharge : Pb → Pb2+ + 2e-
Pendant la charge : Pb2+ → Pb (c’est-à-dire PbSO4 → Pb)

Le dioxyde de plomb, la matière active positive :
Pendant la décharge : Pb4+ → Pb2+ (PbO2 → PbSO4)
Pendant la charge : Pb2+ → PbO2 (c’est-à-dire PbSO4 → PbO2)

Comme les deux matériaux de l’électrode sont transformés en sulfate de plomb, cette réaction a été baptisée « théorie du double sulfate » par Gladstone et Tribe en 1882.

Classification des batteries

Selon la nature des réactions électrochimiques qui se produisent dans ces cellules, elles peuvent être classées comme suit

  • Batteries primaires
  • Secondaire (ou pile ou accumulateur)
  • Piles à combustible

D’emblée, il est préférable de comprendre les différences entre ces types. Dans la batterie primaire, la réaction électrochimique est irréversible, alors que les cellules secondaires sont connues pour la réversibilité de leur réaction. La pile à combustible est également une pile primaire, mais la différence entre la pile à combustible et une pile primaire est que les réactifs sont maintenus à l’extérieur du conteneur de la pile, alors que dans une pile primaire, les réactifs sont à l’intérieur de la pile.

  • Les piles primaires (par exemple, les piles argent-oxyde-zinc utilisées dans les montres-bracelets, les piles MnO2- Zn utilisées pour les torches électriques et les télécommandes pour les unités de courant alternatif, les téléviseurs, etc.) entrent dans cette catégorie. Dans ces piles, les réactions ne peuvent se dérouler que dans un sens et nous ne pouvons pas inverser la réaction en faisant passer l’électricité dans le sens opposé.
  • Au contraire, les appels secondaires sont connus pour leur réversibilité des réactions de production d’énergie. Après la décharge, si nous faisons passer un courant continu en sens inverse, les réactifs d’origine sont régénérés à partir des produits de la réaction. Les exemples de ce type d’accumulateur sont l’accumulateur au plomb, l’accumulateur Li-ion, l’accumulateur Ni-Cd (en fait l’accumulateur NiOOH-Cd), l’accumulateur Ni-Fe, l’accumulateur Ni-MH, pour ne citer que les accumulateurs secondaires les plus courants.
  • Pour développer le concept de réversibilité, le dioxyde de plomb (PbO2) dans l’électrode positive (communément appelée « plaque ») et le plomb (Pb) dans la plaque négative d’une cellule plomb-acide, sont tous deux transformés en sulfate de plomb (PbSO4) lorsque les deux matériaux réagissent avec l’électrolyte, l’acide sulfurique dilué, pendant la réaction de production d’énergie. Les électrochimistes le représentent comme suit :
  • PbO2 + Pb + 2PbSO4 Charge ↔ Décharge 2PbSO4 + 2H2O
  • Une pile à combustible est également une pile primaire, mais ses réactifs sont alimentés de l’extérieur. Les électrodes de la pile à combustible sont inertes en ce sens qu’elles ne sont pas consommées pendant la réaction de la pile, mais aident simplement à la conduction électronique et ont des effets électrocatalytiques. Ces dernières propriétés permettent l’électro-réduction ou l’électro-oxydation des réactifs (les matières actives).
  • Les matériaux actifs de l’anode utilisés dans les piles à combustible sont généralement des combustibles gazeux ou liquides tels que l’hydrogène, le méthanol, les hydrocarbures, le gaz naturel (les matériaux riches en hydrogène sont appelés combustibles) qui sont introduits du côté de l’anode de la pile à combustible. Comme ces matériaux ressemblent aux combustibles classiques utilisés dans les moteurs thermiques, le terme « pile à combustible » s’est imposé pour décrire ce type de piles. L’oxygène, le plus souvent de l’air, est l’oxydant prédominant et est introduit dans la cathode.

Piles à combustible

  • En théorie, une seule pile à combustible H2/O2 pourrait produire 1,23 V dans des conditions ambiantes.

    La réaction est : H2 + ½ O2 → H2O ou 2H2 + O2 → 2H2O E° = 1.23 V

    Dans la pratique, cependant, les piles à combustible produisent des tensions de sortie utiles qui sont très éloignées de la tension théorique de 1,23 V et, par conséquent, les piles à combustible fonctionnent généralement entre 0,5 et 0,9 V. Les pertes ou les réductions de tension par rapport à la valeur théorique sont appelées « polarisation », terme et phénomène qui s’appliquent à toutes les batteries à des degrés divers.

Batterie au plomb

Dans la production d’une batterie au plomb, on utilise une variété d’électrodes positives (ou communément appelées « plaques ») :
Ils le sont :

a. Plaque plate ou plaque à grille ou plaque collée ou plaque en treillis ou plaque Fauré (1,3 à 4,0 mm d’épaisseur)
b. Plaques tubulaires (diamètre intérieur ~ 4,9 à 7,5 mm)
c. Plaques de planté (6 à 10 mm)
d. Plaques coniques
e. Plaques gélatineuses (0,6 à 0,9 mm)
f. Plaques bipolaires

  • Parmi ceux-ci, le type plat mentionné en premier lieu est le plus répandu ; bien qu’il puisse fournir des courants élevés pendant une courte durée (par exemple, le démarrage d’une automobile ou d’un poste DG), il a une durée de vie plus courte. Ici, un collecteur de courant rectangulaire de type treillis est rempli d’une pâte faite d’un mélange d’oxyde de plomb, d’eau et d’acide sulfurique, soigneusement séchée et formée. Les plaques positives et négatives sont fabriquées de la même manière, à l’exception de la différence des additifs. Étant minces, les batteries fabriquées à partir de ces plaques peuvent fournir les courants très élevés nécessaires au démarrage d’une automobile. L’espérance de vie est de 4 à 5 ans dans une telle application. Avant l’avènement du dispositif alternateur-rectificateur, la durée de vie était plus courte.
  • Plaques tubulaires : Le deuxième type de plaque le plus utilisé est la plaque tubulaire, qui a une durée de vie plus longue, mais qui ne peut pas fournir une forte intensité de courant comme dans les batteries à plaque plate. Nous discutons des plaques tubulaires en détail ci-dessous.
  • Pour une longue durée de vie avec les exigences de fiabilité les plus strictes dans des endroits tels que les centrales électriques et les centraux téléphoniques, le type d’accumulateur au plomb préféré est le type Planté. Le matériau de départ pour la plaque tubulaire est un moulage d’environ 6-10 mm d’épaisseur de feuilles de plomb de haute pureté avec de nombreuses fines laminations verticales. La surface de base de la plaque tubulaire est considérablement améliorée par la construction lamellaire, ce qui donne une surface effective 12 fois supérieure à sa surface géométrique.
  • Les plaques coniques sont des grilles circulaires en forme de treillis en plomb pur (coupées à un angle de 10°), des plaques empilées horizontalement les unes sur les autres et fabriquées en plomb pur. Il a été mis au point par Bell Telephone Laboratories, aux États-Unis.
  • Les plaques Jelly Roll sont de fines plaques à grille continue fabriquées à partir d’un alliage d’étain à faible teneur en plomb, d’une épaisseur de 0,6 à 0,9 mm, ce qui permet d’obtenir des taux élevés. Les plaques sont encollées avec des oxydes de plomb, séparées par un tapis de verre absorbant et enroulées en spirale pour former l’élément de base de la cellule.
  • Plaques bipolaires : Ces plaques possèdent une feuille conductrice centrale faite de métal ou de polymère conducteur et comportant un matériau actif positif sur une face et un matériau négatif sur l’autre face. Ces plaques sont empilées de manière à ce que les matériaux actifs de polarité opposée se fassent face, avec un séparateur entre eux, pour obtenir la tension requise.
  • Ici, la connexion séparée entre les cellules est éliminée, ce qui réduit la résistance interne. Il est à noter que les plaques extrêmes d’une batterie bipolaire sont toujours de type mono-polaire, soit positives, soit négatives.

2. Différences - Batterie tubulaire et batterie plate

Lesbatteries plates sont conçues pour des décharges à courant élevé et de courte durée, comme c’est le cas pour les batteries de démarrage des automobiles et des groupes électrogènes. Ils ont généralement une durée de vie de 4 à 5 ans et leur fin de vie est principalement due à la corrosion des grilles positives, ce qui entraîne une perte de contact entre la grille et les matériaux actifs et un délestage ultérieur.

Quelle est la meilleure batterie tubulaire ou plate ?

Les plaques tubulaires sont robustes et ont donc une durée de vie d’environ 10 à 15 ans en fonctionnement flottant. Ils sont également adaptés à une utilisation cyclique et offrent une durée de vie maximale. La matière active est contenue dans l’espace annulaire entre l’épine et le porte-oxyde. Cela limite le stress dû aux changements de volume qui se produisent lors du cycle des cellules.

La fin de vie est à nouveau due à la corrosion des épines et à la perte de contact entre les épines et le matériau actif. Cependant, la surface de contact entre la colonne et la masse active est réduite dans une telle construction et, par conséquent, sous de fortes décharges de courant, la densité de courant plus élevée entraîne un échauffement local qui conduit à la rupture des tubes et à la fissuration de la couche de corrosion.

Lescellules de la plaque Planté ont la plus longue durée de vie, mais leur capacité est faible par rapport aux autres types. Mais ces cellules offrent la plus grande fiabilité et les plus longues durées de vie. Leur coût est également plus élevé, mais s’il est estimé sur la durée de vie, il est en fait inférieur à celui des autres cellules de type stationnaire. La raison de cette durée de vie plus longue est que la surface de la plaque positive est continuellement régénérée sans pratiquement aucune perte de capacité au cours de sa durée de vie.
Les cellules à plaques coniques sont spécialement conçues par Lucent Technologies (anciennement AT&T Bell Laboratories) pour une très longue durée de vie de plus de 30 ans. Les données récentes sur la corrosion sur 23 ans prévoient une durée de vie de 68 à 69 ans pour ces batteries.

La conception des rouleaux de gelée se prête à une production de masse en raison de ses excellentes caractéristiques mécaniques et électriques. La construction en rouleau (électrodes enroulées en spirale) dans un récipient cylindrique peut maintenir des pressions internes plus élevées sans déformation et peut être conçue pour avoir une pression de libération plus élevée.
que les cellules prismatiques. Cela est dû à un conteneur métallique extérieur utilisé pour empêcher la déformation des boîtiers en plastique à des températures et des pressions internes de cellule plus élevées. La gamme des pressions d’évacuation peut aller de 170 kPa à 275 kPa (25 à 40 psi  » 1,7 à 2,75 bar) pour une cellule à gaine métallique enroulée en spirale à 7 kPa à 14 kPa (1 à 2 psi  » 0,07 à 0,14 bar) pour une grande batterie prismatique.

Batteries à plaques bipolaires
Dans la conception d’une plaque bipolaire, il y a un matériau central électroniquement conducteur (soit une feuille de métal, soit une feuille de polymère conducteur) sur un côté duquel se trouve un matériau actif positif et sur l’autre, un matériau actif négatif. Ici, la connexion séparée entre les cellules est éliminée, ce qui réduit la résistance interne. Il est à noter que les plaques extrêmes d’une cellule terminale bipolaire sont toujours de type mono-polaire, soit positives, soit négatives.

Ces batteries ont

  1. Une énergie spécifique et une densité d’énergie plus élevées (c’est-à-dire 40 % de volume en moins ou 60 % de la taille d’un accumulateur au plomb ordinaire, 30 % de poids en moins ou 70 % de la masse d’un accumulateur au plomb ordinaire).
  2. Doublez la durée du cycle
  3. La moitié de la quantité de plomb est nécessaire et les autres matériaux sont également réduits.

3. Pourquoi une batterie tubulaire ?

Les batteries à plaques tubulaires sont principalement utilisées lorsqu’il est nécessaire d’avoir une longue durée de vie et une capacité plus élevée. Ils sont principalement utilisés dans des applications de secours dans les centraux téléphoniques et les grandes usines pour les camions de manutention, les tracteurs, les véhicules miniers et, dans une certaine mesure, les voiturettes de golf.

Aujourd’hui, ces batteries sont omniprésentes dans tous les foyers pour les applications d’onduleurs et d’alimentation sans coupure.

Des plaques de type très haut (jusqu’à 1 mètre et plus) sont utilisées dans les batteries des sous-marins pour fournir de l’énergie lorsque le sous-marin est immergé. Il fournit une alimentation silencieuse. Les capacités varient de 5 000 à 22 000 Ah. Des pompes à air sont insérées dans les cellules sous-marines pour annuler la stratification acide de l’électrolyte pour les cellules de 1 à 1,4 m de haut.

Les batteries au plomb à électrolyte gélifié à plaques tubulaires régulées par des valves sont largement utilisées dans les systèmes d’énergie non renouvelable comme les applications solaires.

Les batteries à plaques tubulaires minces pour fourgons et bus trouvent des applications dans le domaine des VE et sont capables de fournir 800 à 1500 cycles en fonction de l’épaisseur de l’épine et de l’énergie spécifique.

Le tableau suivant illustre la relation entre l’épaisseur de l’épine dorsale, le pas de la plaque, la densité de l’électrolyte, l’énergie spécifique et le nombre de cycles de vie.

Diamètre du tube mm --> 7.5 6.1 4.9
Densité de l'électrolyte (Kg/Litre) 1.280 1.300 1.320
Nombre d'épines 19 24 30
Pas de la plaque tubulaire 15.9 13.5 11.4
Épaisseur de la colonne vertébrale 3.2 2.3 1.85
Énergie spécifique (Wh par kg) au taux de 5 heures 28 36 40
Durée du cycle 1500 1000 800

Référence : K. D. Merz, J. Power Sources, 73 (1998) 146-151.

4. Comment faire une plaque de batterie tubulaire ?

Sacs tubulaires

Les premières plaques tubulaires construites avec des anneaux individuels par Phillipart et avec des sacs tubulaires par Woodward ont été signalées en 1890-1900 et l’utilisation de tubes en caoutchouc fendus (Exide Ironclad) a été développée par Smith en 1910.

L’assemblage des tubes individuels sur les épines était pratiqué auparavant et cette opération était plus lente que l’insertion d’une grille complète dans un modèle multi-tube. De plus, la liaison physique entre les différents tubes du multi-tube donne une plus grande rigidité lors de l’opération unitaire de remplissage. La courbure des épines due au mouvement latéral est éliminée. Ce sont les raisons pour lesquelles les fabricants de batteries préfèrent utiliser les gantelets multi-tubes PT Bags.

Préparation des tubes. Aujourd’hui, les multi-tubes ou PT Bags (gantelets) sont fabriqués à partir de fibres de verre ou de fibres organiques (polyester, polypropylène, copolymères d’acrylonitrile, etc.) chimiquement résistantes, par des méthodes de tissage, de tressage ou de feutrage.

Au début des multitubes, on utilisait une toile tissée horizontalement dans un fil du copolymère de chlorure de vinyle et d’acétate de vinyle. Deux couches de tissu sont passées de part et d’autre d’une rangée de formeurs cylindriques (mandrin) et la couture entre les formeurs adjacents est thermosoudée.

Mais l’acétate de vinyle a dégénéré pour libérer de l’acide acétique qui, à son tour, a entraîné la corrosion de la colonne vertébrale et la défaillance prématurée de la batterie. En outre, le thermosoudage devait être contrôlé et dimensionné. Si la pression d’étanchéité dépassait une certaine limite, les joints étaient fragiles et les couches se séparaient rapidement en service. Au contraire, si la pression de scellement était trop forte, le scellement était bon mais le joint réel était mince et se détachait rapidement en service.

Bien que cela n’ait pas posé de problème sérieux en service, la couture avait tendance à se séparer pendant les opérations initiales de manipulation et de remplissage et le centre de la plaque tubulaire avait tendance à se courber, ce qui créait des problèmes lors des opérations unitaires suivantes, par exemple, il était parfois difficile d’insérer la plaque dans le conteneur de la cellule en raison des plaques surdimensionnées.

Diverses méthodes ont été essayées pour remplacer le thermoscellage, comme la technique de tissage composite dans laquelle les tubes sont tissés en une seule opération, les filaments s’entrecroisant entre les tubes pour former une couture intégrale. Les multitubes modernes utilisent le thermoscellage ou la couture avec des filaments de polyester tissés dans des tissus ou des tissus de polyester non tissés.

L’attrait des tissus non tissés réside dans le fait que le coût de fabrication est plus faible en raison de la réduction du coût des matériaux de base grâce à l’élimination du processus de tissage. Cependant, pour atteindre le même ordre de résistance à l’éclatement, le tube non tissé doit être plus épais que son homologue tissé. Cela réduit à la fois le volume de travail de l’électrolyte (en raison du plus grand volume du matériau du tube non tissé). Le volume de matière active à l’intérieur du tube est également réduit, ce qui, à son tour, réduit marginalement la capacité de la cellule.

D’excellentes plaques tubulaires peuvent être réalisées avec des tubes individuels ou des multi-tubes fournis.
le fil utilisé dans la fabrication des tubes est un fil qui ne se dénature pas facilement en service. Les filaments de verre et de polyester spécialement formulés répondent tous deux à cette exigence.

Les batteries à plaques tubulaires sont utilisées de manière stationnaire ou dans du matériel roulant. Elles sont généralement chargées par flotteur à une tension de 2,2 à 2,30 volts par cellule, selon la gravité spécifique de l’électrolyte. Les exemples sont les batteries courantes d’onduleurs/UPS, les batteries de téléphone et les piles pour l’éclairage et la climatisation des trains (piles TL & AC).

Machine à remplir les plaques tubulaires

Dans une plaque tubulaire, une série d’épines d’épaisseur appropriée, coulées dans un alliage de plomb, est reliée à une barre omnibus supérieure, soit manuellement, soit à l’aide d’une machine à couler sous pression. Les épines sont insérées dans des sacs tubulaires et l’espace entre les épines et le sac de PT (également appelé porte-oxyde) est rempli d’oxyde sec ou de pâte thixotropique humide. Les épines sont maintenues en position centrale par une saillie en forme d’étoile prévue dans les épines. Les sacs PT sont invariablement fabriqués à partir de fibres de polyester tissées ou feutrées. Les plaques tubulaires ainsi préparées sont ensuite décapées, durcies/séchées et mises en cuve ou en pot avec une densité d’électrolyte appropriée.

L’oxyde de remplissage peut avoir n’importe quelle composition : uniquement de l’oxyde gris, de l’oxyde gris et du plomb rouge (également appelé « minium ») dans des proportions variables.

L’avantage d’avoir du plomb rouge dans le mélange positif est que le temps de formation est réduit proportionnellement au pourcentage de plomb rouge qu’il contient. En effet, le plomb rouge contient déjà environ un tiers de dioxyde de plomb, le reste étant du monoxyde de plomb. C’est-à-dire que le plomb rouge Pb3O4 = 2PbO + PbO2.

Alternativement, les plaques tubulaires remplies peuvent être directement assemblées, après avoir retiré les particules d’oxyde détachées qui adhèrent aux tubes à l’extérieur, en piles et batteries et mises en pot.

La plaque négative est fabriquée comme d’habitude en suivant la pratique de fabrication des plaques plates. Les expanseurs sont les mêmes, mais la quantité de « blanc fixe » est plus importante par rapport à une pâte automobile. Les plaques tubulaires sont durcies dans des fours de durcissement pendant environ 2 à 3 jours, après être passées dans un tunnel de séchage chauffé à l’électricité ou au gaz pour éliminer l’humidité superficielle, afin que les plaques ne collent pas entre elles lors des manipulations ultérieures.

La différence de densité de remplissage initiale de l’acide pour les piles marquées et non marquées provient du fait que les premières contiennent plus d’acide et que l’on choisit donc une densité inférieure pour les piles à plaques tubulaires marquées, généralement d’environ 20 points de moins. La gravité spécifique de finition de l’électrolyte est de 1,240 ± 0,010 à 27°C.
Plus la gravité spécifique de l’électrolyte est élevée, plus la capacité de ces batteries sera importante, mais leur durée de vie sera affectée.
Ou bien, les plaques tubulaires peuvent être formées en cuve, séchées, assemblées et chargées comme d’habitude.

5. Différents types de plaques tubulaires

Fig 3 & 4 Plaques tubulaires
Fig 3 Les tubes peuvent être ronds, ovales, plats, carrés ou rectangulaires Fig4 Diagramme d'écoulement décrivant les opérations de l'appareil

La plupart des fabricants de batteries utilisent des tubes cylindriques pour fabriquer des plaques tubulaires et des batteries. Même dans ce cas, le diamètre des tubes et, par conséquent, celui des épines, peut varier d’environ 8 mm à 4,5 mm.

Toutefois, les tubes peuvent également être de type ovale ou plat ou carré ou rectangulaire. La structure de base est la même que celle des plaques tubulaires cylindriques précurseurs (comme illustré ci-dessus).

7. Avantages de l'utilisation des plaques tubulaires

Les plaques tubulaires sont très appréciées pour leur longue durée de vie en raison de l’absence de perte de matière active. La matière active est maintenue par le sac tubulaire et, par conséquent, une densité d’emballage plus faible peut être utilisée pour maximiser le coefficient d’utilisation. La plus grande porosité ainsi obtenue peut également permettre d’utiliser davantage de matière active dans le processus de production d’énergie. Plus la colonne vertébrale est épaisse, plus les cycles de vie que l’on peut obtenir de ces plaques tubulaires seront importants.

Le nombre de cycles de vie se situe entre 1000 et 2000 cycles en fonction de l’épaisseur des plaques. Plus la plaque tubulaire est épaisse, plus le nombre de cycles qu’elle offre est élevé. Il est dit que les plaques tubulaires peuvent offrir deux fois le nombre de cycles de vie par rapport à une plaque plate de même épaisseur.

8. Comment la durée de vie de la batterie est-elle améliorée en utilisant des plaques tubulaires ?

Comme indiqué ci-dessus, la durée de vie d’une batterie à plaques tubulaires est supérieure à celle des batteries à plaques plates. Les phrases suivantes décrivent les raisons pour lesquelles les batteries à plaques tubulaires ont une durée de vie plus longue. Plus important encore, le matériau actif est maintenu de manière rigide par les tubes porte-oxyde, ce qui empêche le détachement du matériau, qui est la principale raison de la défaillance des piles. En outre, au fil du temps, les épines sont recouvertes d’une couche protectrice de dioxyde de plomb qui contribue à réduire le taux de corrosion des épines. La corrosion est simplement, la transformation de l’épine de l’alliage de plomb en dioxyde de plomb.

D’un point de vue thermodynamique, le plomb et les alliages de plomb sont instables sous un potentiel anodique élevé de plus de 1,7 à 2,0 volts et, sous l’atmosphère corrosive de l’acide sulfurique, ils ont tendance à se corroder et à se transformer en PbO2.

Chaque fois que la cellule est en charge à des tensions très éloignées de la tension en circuit ouvert (OCV) du côté supérieur, de l’oxygène est dégagé à la suite de la dissociation électrolytique de l’eau et l’oxygène est dégagé à la surface des plaques tubulaires positives et doit se diffuser vers la colonne vertébrale pour la corroder. Comme une épaisse couche de matériau actif positif (PAM) entoure les épines, l’oxygène doit parcourir une longue distance depuis la surface, ce qui tend à réduire le taux de corrosion. Cela permet de prolonger la vie des cellules des plaques tubulaires.

9. Quelles applications de batterie devraient idéalement utiliser des plaques de batterie tubulaires ?

Les plaques tubulaires sont principalement utilisées pour les batteries de grande capacité et à longue durée de vie, par exemple dans les véhicules de transport internes industriels (chariots élévateurs, voitures électriques, etc.). Il est également utilisé dans les batteries OPzS pour les applications de stockage d’énergie comme les systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS), où la capacité des cellules peut atteindre 11 000 Ah et 200 à 500 kWh et jusqu’à 20 MWh.

Les applications typiques de la BESS sont l’écrêtement des pointes, le contrôle de la fréquence, la réserve tournante, le nivellement de la charge, l’alimentation de secours, etc.

Aujourd’hui, chaque foyer dans certains pays possède au moins une batterie à plaques tubulaires pour les applications d’onduleurs et d’alimentation sans coupure. Sans parler de certains établissements commerciaux, par exemple les centres de navigation, où une alimentation continue en énergie est nécessaire.

Récemment, les accumulateurs au plomb à plaques tubulaires gélifiées régulés par des valves sont largement utilisés dans les systèmes d’énergie non renouvelable comme les applications solaires. Le type gélifié est ici le mieux adapté.

Les VE nécessitant 800 cycles avec une énergie spécifique de 40 Wh/kg peuvent utiliser au mieux les batteries tubulaires fines des VE. La gamme de capacité disponible est de 200Ah à 1000Ah à une cadence de 5 heures.

10. Caractéristiques techniques importantes d’une batterie à plaques tubulaires

La caractéristique technique la plus importante de la batterie à plaques tubulaires est sa capacité à conserver la matière active tout au long de sa durée de vie sans le processus de perte qui se produit normalement, ce qui constitue la base d’une longue durée de vie.

Les batteries utilisant de telles plaques ont une longue durée de vie de 15 à 20 ans dans des applications stationnaires dans des conditions de charge flottante, comme les centraux téléphoniques, le stockage d’énergie. Pour les opérations cycliques (telles que les batteries de traction), les batteries peuvent fournir entre 800 et 1500 cycles, en fonction de l’énergie produite par cycle. Plus la production d’énergie par cycle est faible, plus la durée de vie est élevée.

Les plaques tubulaires sont les mieux adaptées aux applications solaires en version régulée par vanne à électrolyte gélifié, sans problème de stratification dans l’électrolyte. Comme elles ne nécessitent pas d’appoint périodique avec de l’eau approuvée et qu’aucun gaz nocif n’émane de ces cellules, elles sont éminemment adaptées aux applications solaires.

11. Conclusion

Parmi les sources d’énergie électrochimiques utilisées de nos jours, la batterie au plomb dépasse tous les autres systèmes considérés individuellement. Dans le cas de la batterie au plomb, ce sont les batteries automobiles omniprésentes qui mènent l’équipe. Vient ensuite la batterie industrielle à plaques tubulaires. Les batteries automobiles ont des capacités de l’ordre de 33 Ah à 180 Ah, toutes dans des conteneurs monoblocs, mais l’autre type a une capacité de 45 Ah à des milliers d’Ah.

Les batteries à plaques tubulaires de petite capacité (jusqu’à 200 Ah) sont assemblées en monoblocs et les cellules 2v de grande capacité en conteneurs individuels et connectées en série et en parallèle. Les batteries à plaques tubulaires de grande capacité sont utilisées comme sources d’énergie stationnaires dans les centraux téléphoniques, les établissements de stockage d’énergie, etc. Les batteries de traction ont plusieurs applications comme les chariots de manutention, les chariots élévateurs à fourche, les voiturettes de golf, etc.

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