types de batteries
nos vieux amis
plomb-acide
à quand remonte la dernière fois que vous avez dû retirer votre manivelle, l’insérer dans le vilebrequin de votre voiture et lui donner un bon tour pour faire tourner le moteur? Jamais? C’est parce que nous avons des batteries au plomb-acide connectées à nos moteurs de voiture qui fournissent la puissance dont le moteur a besoin pour démarrer. Ceux-ci ont été inventés par Gaston Planté en 1859.
comme leur nom l’indique, ces batteries contiennent du plomb. En fait, les deux électrodes (les conducteurs par lesquels l’électricité entre ou sort de la batterie) contiennent du plomb—l’anode (électrode changée positivement) est en plomb métallique (Pb) et la cathode (électrode chargée négativement) est en dioxyde de plomb (PbO2). Les électrodes sont placées dans une solution électrolytique d’acide sulfurique (H2SO4), composée d’ions hydrogène (H+) et d’ions bisulfate (HSO4).,
Le Plomb À l’anode réagit avec le bisulfate de l’électrolyte, libérant des électrons et produisant du sulfate de plomb, qui forme des cristaux sur l’anode, et des ions hydrogène qui entrent dans l’électrolyte. Les électrons se déplacent vers la cathode via un circuit externe, où ils réagissent avec le bisulfate et les ions hydrogène de l’électrolyte avec la cathode de dioxyde de plomb. Cela produit également du sulfate de plomb, qui forme à nouveau des cristaux, cette fois sur la cathode.,
Les batteries Au Plomb-acide sont rechargeables—celles de nos voitures se rechargent à l’aide d’un petit générateur connecté au moteur, appelé alternateur. C’est pourquoi lorsque vous avez laissé les lumières de votre voiture allumées et que la batterie est à plat, il est conseillé de conduire pendant un certain temps après avoir obtenu le démarrage pour donner à la batterie le temps de se recharger à nouveau.
lorsque la batterie se charge, les réactions chimiques décrites ci-dessus qui produisent l’électricité sont forcées vers l’arrière. Les revêtements de sulfate de plomb sont dissous et refoulés dans l’électrolyte sous forme d’ions PB2+ et SO42 -., Les ions Pb2 + captent ensuite deux électrons et sont re-plaqués sur l’anode en tant que PB neutre.
à la cathode, les ions Pb2+ abandonnent deux électrons pour se former et réagissent avec des molécules d’eau (H2O) pour reformer du dioxyde de plomb neutre sur la cathode, et certains ions bisulfate qui retournent dans la solution électrolytique.
cependant, si une batterie au plomb se décharge trop ou reste trop longtemps avant la recharge, les revêtements de sulfate de plomb se forment en cristaux durs qui ne peuvent pas être éliminés par le processus de charge.,
Ultrabattery
développé au CSIRO, L’Ultrabattery est une version gonflée d’une batterie au plomb traditionnelle. Il combine la technologie de batterie au plomb standard avec un supercondensateur. Lorsqu’une batterie au plomb normale se décharge, la réaction qui l’entraîne entraîne la formation de cristaux de sulfate de plomb à la fois sur l’anode et la cathode. Le processus de recharge élimine ces revêtements, mais les électrodes (et donc la batterie) se dégradent avec le temps., En outre, la batterie n’aime pas fonctionner dans un État de charge partielle—une condition où la batterie est soumise à de courts cycles répétés de décharge et de recharge, sans jamais vider complètement la batterie ou la charger complètement. Cet état de charge partiel est particulièrement important pour les véhicules.
l’Ultrabatterie utilise le supercondensateur pour compenser les réactions problématiques des électrodes de plomb dans la batterie au plomb-acide, augmentant ainsi sa durée de vie., Parce qu’un supercondensateur peut absorber et stocker la charge très rapidement, il peut engloutir l’énergie disponible et l’alimenter ensuite à la batterie au bon rythme. Il parvient à réduire l’accumulation de sulfates résultant du processus de décharge-recharge dans une batterie au plomb standard.
L’Ultrabatterie est également relativement bon marché à fabriquer, environ 70% moins cher que les batteries lithium-ion actuellement utilisées dans les voitures électriques hybrides. Une autre utilisation potentielle de L’Ultrabatterie serait dans les centrales électriques, pour stocker et « lisser » l’énergie produite par des sources renouvelables comme l’énergie solaire et éolienne., Dans les essais de parcs éoliens à grande échelle en Australie, L’Ultrabatterie a surpassé les batteries au plomb classiques.
- qu’est Ce qu’un supercondensateur?
Un condensateur est un peu comme une batterie … mais pas vraiment. L’énergie d’une batterie provient de la réaction chimique entre ses composants. L’électricité est générée par le flux d’électrons dans la réaction redox entre l’anode et la cathode.
un condensateur fournit également de l’énergie, mais elle ne provient pas d’une réaction chimique., Les condensateurs sont fabriqués à partir de deux plaques conductrices, avec un diélectrique ou un isolant (une substance qui ne conduit pas l’électricité) entre les deux. Lorsque ces plaques sont connectées à un courant électrique, le courant y circule; une plaque stocke une charge négative sur ses atomes de surface, et l’autre une charge positive, à nouveau sur les atomes de surface. Parce que ces plaques chargées différemment sont séparées par le diélectrique non conducteur, un champ électrique est créé, qui stocke l’énergie électrique. Lorsque le condensateur est connecté à un autre circuit, il libère (décharge) l’énergie électrique.,
Les condensateurs libèrent généralement leur énergie très rapidement—ils fournissent des rafales d’énergie rapides. Cela les rend utiles pour des tâches assez spécifiques, telles que l’alimentation du flash sur un appareil photo. Le flash utilise rapidement beaucoup d’énergie pour créer la lumière vive, puis le condensateur se recharge à partir de la batterie de l’appareil photo afin qu’il puisse être utilisé à nouveau pour la photo suivante.
un nuage est un condensateur—lorsque de petites particules de glace dans le nuage entrent en collision les unes avec les autres et d’autres particules d’humidité, les électrons peuvent être neutralisés. Ces électrons ont tendance à s’accumuler dans les régions inférieures du nuage., Les petites particules, maintenant chargées positivement, s’élèvent vers le sommet du nuage. Cela signifie qu’une séparation de charge et un champ électrique s’accumulent dans le nuage. À mesure que la charge négative au fond du nuage augmente en force, elle repousse d’autres charges négatives—elle pousse les électrons à la surface de la terre plus profondément dans le sol, ce qui signifie qu’une charge positive s’accumule à la surface. Nous nous retrouvons avec une région chargée négativement (le fond du nuage), séparée d’une région chargée positivement (le sol) par un mauvais conducteur d’électricité (l’air)., Lorsque le champ électrique dans le nuage devient assez fort, il peut « décomposer » l’air environnant en particules ionisées (chargées), le transformant d’un isolant non conducteur en conducteur. L’énergie électrique stockée dans le nuage est instantanément libérée, en un éclair.
les supercondensateurs sont simplement des condensateurs extra-puissants, avec une capacité supérieure. Cela signifie qu’ils sont capables de stocker beaucoup plus d’énergie électrique que les condensateurs normaux.,
Nickel-cadmium
bien qu’elles soient maintenant nettement anciennes, les piles nickel-cadmium (NiCad) ont été les premières piles rechargeables utilisées dans les outils électriques, les torches et autres appareils portables. C’étaient les gars dans nos téléphones portables avant que les batteries lithium-ion ne les démarrent. Parfois, on les trouve encore sous forme de vieilles piles AA rechargeables pour les torches et les jouets. Comme la batterie au plomb, cette chimie cellulaire existe depuis longtemps—les premières batteries NiCad ont été mises en vente en 1910!,
l’anode est fabriquée à partir de cadmium (Cd) et leurs cathodes sont de l’hydroxyde d’oxyde de nickel (NIO(OH)2), généralement avec un électrolyte d’hydroxyde de potassium (KOH).
l’hydroxyde D’oxyde de Nickel constitue une très bonne électrode, car elle peut être produite pour avoir une grande surface, ce qui augmente la surface active disponible pour la réaction., En outre, il ne réagit pas avec l’électrolyte pendant la réaction, ce qui maintient la solution d’électrolyte belle et pure et aide la cellule à durer (relativement) longtemps avant que les réactions secondaires embêtantes ne la dégradent.
Les batteries NiCad présentaient quelques lacunes. Tout d’abord, ils étaient sujets à quelque chose appelé « effet mémoire », où les batteries « se souviendraient » des niveaux de décharge précédents et ne se rechargeraient pas correctement. Cela a été causé par la formation de gros cristaux de cadmium plutôt que de petits cristaux de cadmium pendant le processus de recharge., S’assurer que la batterie était correctement déchargée avant de la recharger a permis d’éviter ce problème. Mais vous deviez faire attention-décharger complètement une batterie NiCad l’a également endommagée.
deuxièmement, le taux d’autodécharge D’une batterie NiCad est d’environ 15 à 20% par mois. Cela signifie que s’ils sont restés assis sur l’étagère pendant quelques mois, ils ont perdu une grande partie de leur charge.
Troisièmement, le cadmium est cher, et un métal lourd toxique, ce qui signifie que l’élimination des batteries n’est pas une bonne chose pour l’environnement.,
Nickel-hydrure métallique (NiMH)
ces problèmes avec les batteries NiCad ont conduit à remplacer l’anode au cadmium par un alliage intermétallique absorbant l’hydrogène (une combinaison de métaux à structure cristalline définie) qui peut engloutir jusqu’à 7% d’hydrogène en poids. Essentiellement, l’anode est l’hydrogène; l’alliage métallique sert simplement de récipient de stockage pour elle.
la combinaison la plus commune de métaux pour cet alliage sont ceux avec une capacité forte de formation d’hydrure, avec un métal faible de formation d’hydrure.,
une Autre considération lors de la rédaction de l’alliage métallique est que lorsque certains métaux absorber l’hydrogène, la réaction dégage de la chaleur—c’est exothermique. D’autres absorbent la chaleur dans une réaction endothermique. Nous ne voulons pas vraiment d’une batterie qui produit ou aspire de la chaleur lorsqu’elle se décharge, donc, avec la combinaison de formation d’hydrure forte–faible dont l’alliage est également fabriqué, nous avons besoin d’une combinaison de métaux exothermiques et endothermiques.
Les électrons qui produisent le courant électrique de la batterie proviennent de l’oxydation des atomes d’hydrogène, qui se transforment en protons., Ces protons réagissent avec les ions hydroxyde (OH-) de l’électrolyte pour produire de l’eau. L’alliage métallique qui forme l’anode avec l’hydrogène ne participe pas à la réaction chimique qui entraîne la cellule; c’est essentiellement un spectateur qui fournit juste une maison pour les ions hydrures très importants.
Les batteries Nickel-hydrure métallique sont très similaires aux batteries NiCad en termes de tension, de capacité et d’application. L’effet mémoire est moins problématique qu’avec les NiCads et ils ont une densité d’énergie plus élevée. Ils sont toujours utilisés comme norme pour les piles AA rechargeables.,
alcalines
Les piles alcalines sont utilisées dans les jouets, l’électronique, les lecteurs de CD portables que nous utilisions dans les années nonante et les Walkmans qui étaient populaires dans les années quatre-vingt. Ils représentent la majeure partie des batteries fabriquées aujourd’hui, bien que leur place au sommet soit probablement bientôt contestée par les batteries lithium-ion de nos téléphones, ordinateurs portables et un nombre croissant d’autres gadgets.
ils sont populaires car ils ont un faible taux d’autodécharge, leur donnant une longue durée de conservation, et ne contiennent pas de métaux lourds toxiques comme le plomb ou le cadmium. Bien que des piles alcalines rechargeables aient été développées, ces types sont généralement à usage unique. Une fois qu’ils sont hors de charge, c’est au dépôt de recyclage (ou, plus généralement, à la décharge, car il n’y a pas beaucoup d’endroits qui les recyclent).
Ces batteries ont le zinc comme anode, et le dioxyde de manganèse (MnO2) comme cathode., Leur nom provient toutefois de la solution alcaline utilisée comme électrolyte. Il s’agit généralement d’hydroxyde de potassium (KOH), qui peut contenir un grand nombre d’ions dissous. Plus la solution électrolytique peut absorber d’ions, plus la réaction redox qui entraîne la batterie peut continuer longtemps.
L’anode en zinc est généralement sous forme de poudre. Cela lui donne une plus grande surface de réaction, ce qui signifie que la cellule peut libérer sa puissance assez rapidement., Il abandonne ses électrons à la cathode de dioxyde de manganèse, à laquelle du carbone, sous forme de graphite, est ajouté pour améliorer sa conductivité et l’aider à garder sa forme.
et cela nous amène aux batteries qui alimentent de nos jours la plupart de nos téléphones intelligents et ordinateurs portables: les batteries lithium-ion. Ces gars-là sont si importants que nous voulions les traiter avec le respect (et le détail) qu’ils méritent, afin que vous puissiez lire à leur sujet dans leur propre fonctionnalité Nova.