réaction chimique d'une batterie au plomb
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Réaction chimique d'une batterie plomb-acide

Principes de fonctionnement et réactions d'une batterie plomb-acide

Toutes les batteries sont des systèmes électrochimiques qui fonctionnent comme une source de puissance et d’énergie électrique. Chaque système comporte 2 électrodes (positive et négative), un électrolyte et un séparateur. La plupart des systèmes électrochimiques ont un oxyde métallique ou l’oxygène lui-même comme positif et un métal comme négatif. Les systèmes peuvent être classés en batteries primaires et secondaires. Les batteries primaires sont destinées à un usage unique, tandis que les batteries secondaires peuvent être déchargées et rechargées plusieurs fois.

Le tableau suivant présente quelques-unes des batteries secondaires commercialement établies et ayant fait leurs preuves :

Système électrochimique Electrode positive Négatif Électrolyte Remarques
Batterie au plomb Peroxyde de plomb PBO2 Plomb métallique sous forme spongieuse Acide sulfurique dilué Electrolyte utilisé dans les réactions + ions électroniques conducteurs
Batterie lithium-ion Lithium avec oxyde de Cobalt, Nickel, Manganèse, Fer Graphite, silicium avec lithium lié (intercalé) Mélange de solvants organiques pour les sels de lithium Electrolyte pour conduire les ions de lithium entre 2 électrodes - Pas de réactions chimiques
Nickel Cadmium Oxyhydroxyde de nickel Ni(O) OH Cadmium métal Hydroxyde de potassium dilué L'électrolyte ne sert qu'à conduire les ions électroniques
Nickel Metal Hydride Oxyhydroxyde de nickel Ni(O) OH Hydrogène absorbé dans un alliage métallique Hydroxyde de potassium dilué L'électrolyte ne sert qu'à conduire les ions électroniques

Réaction chimique d'une batterie plomb-acide :

La batterie plomb-acide est composée de trois éléments principaux :

  1. Le dioxyde de plomb (PbO₂) forme l’électrode positive poreuse.
  2. Le plomb en état spongieux forme l’électrode négative poreuse.
  3. L’électrolyte est de l’acide sulfurique dilué dont la densité varie de 1,200 à 1,280 de gravité spécifique. Dans les batteries VRLA, le volume d’acide est faible. Par conséquent, une gravité spécifique plus élevée de l’acide, comme 1,300 -1,320, est généralement utilisée pour atteindre la capacité prévue.

Les électrodes sont rendues poreuses à l’aide d’additifs spéciaux pendant la fabrication, afin de garantir que les réactions se produisent dans toute la masse de la plaque de la batterie. Le séparateur de la batterie (un non-conducteur) aide à isoler les 2 électrodes pour éviter les courts-circuits, mais permet aux ions électroniques de passer à travers avec une résistance électrique minimale.

Lorsque la batterie est connectée à une charge (décharge), l’atome de plomb de la plaque négative se divise en ion plomb (Pb²⁺) et en 2 électrons. Les électrons, qui constituent l’unité fondamentale du courant, prennent naissance sur la plaque négative et circulent dans le circuit extérieur à travers la borne négative.

Après avoir traversé la charge, les électrons arrivent à la borne positive. Les électrons convertissent (réduisent) le dioxyde de plomb en ions plomb.
Dans les électrodes positives et négatives, les ions plomb (Pb²⁺) réagissent avec l’acide sulfurique pour former du SULPHATE DE PLOMB. (Théorie du double sulfate de Gladstone). Dans d’autres systèmes électrochimiques comme les batteries nickel-cadmium, les batteries lithium-ion, les électrolytes ne participent pas aux réactions. Leur rôle est uniquement de conduire les ions entre les deux électrodes.

Réactions pendant la décharge - Réaction chimique de la batterie au plomb-acide

Réactions pendant la décharge (qui est la fonction principale d’une batterie)

Pb (négatif)

Pb²⁺ + 2 e- ——————————1

PbO₂( Positif) Pb⁴⁺ + 2 e-

Pb²⁺ —————————–2

Pb²⁺ + SO₄²- (de l’acide)

PbSO₄ (dans les deux électrodes) ——–3

Pendant la charge d’une batterie plomb-acide déchargée, les 3 réactions ont lieu en sens inverse. Ce qui précède est la simplification des réactions chimiques et électrochimiques qui ont lieu dans une batterie plomb-acide, ce qui en fait le système de batterie RECHARGEABLE le plus fiable ou le système de batterie SECONDAIRE .

Quelle est la différence entre une batterie primaire et une batterie secondaire ? Alors que les piles primaires sont utilisées et jetées et ne peuvent pas être rechargées, les piles secondaires, on chargeant, les 3 composants – positif, négatif et acide – sont régénérés.

Ainsi, une pile/batterie rechargeable ou secondaire est créée. D’où le nom de batterie secondaire

Cycle de l'oxygène interne - Réaction chimique de la batterie au plomb

Pendant la charge de la batterie VRLA :
Au niveau de la plaque positive, du gaz O2 est dégagé et des protons et des électrons sont produits.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Eq. 1

2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + chaleur ……… Eq. 2
—————————————————–
Mais, s’agissant d’un processus de charge, le sulfate de plomb ainsi produit doit à nouveau être transformé en plomb ; l’acide sulfurique est généré par voie électrochimique en réagissant avec les protons (ions hydrogène) et les électrons résultant de la décomposition de l’eau au niveau des plaques positives lorsqu’elles sont chargées.

2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Eq. 3

Réactions de décharge et de charge - Réaction chimique d'un accumulateur au plomb

Les réactions d’une pile ou d’une batterie galvanique sont spécifiques au système ou à la chimie :

Par exemple, la pile au plomb :

Pb + PbO2 + 2H2SO4 Décharge ↔ Charge 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V

Dans une pile Ni-Cd

Cd + 2NiOOH + 2H2O Décharge ↔ Charge Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1,32 V

Dans une cellule de Zn-Cl2 :

Zn + Cl2 Décharge ↔ Charge ZnCl2 E° = 2,12 V

Dans une cellule de Daniel (Il s’agit d’une cellule primaire ; notez ici l’absence de flèches réversibles)

Zn + Cu2+ Décharge ↔ Charge Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 V

Que se passe-t-il lors des réactions de décharge et de charge à l'intérieur d'une cellule ? Réaction chimique d'une batterie plomb-acide

Electrolyte : 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4‾

Plaque négative : Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e

Pb2+ + HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+

⇑ ⇓

Plaque positive : PbO2 = Pb4+ + 2O2-

Pb4+ + 2e = Pb2+

Pb2++ 3H+ + HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯ ↓+ 2H2O

L’acide sulfurique étant un électrolyte fort, il se dissocie sous forme d’ions hydrogène et d’ions bisulfate (également appelés ions hydrogénosulfate).

réaction chimique d'une batterie au plomb

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