Piles et accumulateurs dans le défi énergétique - Cours de Physique Chimie Première avec Maxicours

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Piles et accumulateurs dans le défi énergétique

Objectif(s)
Etudier les technologies modernes proposées dans le cadre des piles et accumulateurs électrochimiques. Voir comment ces générateurs électriques sont susceptibles de répondre aux enjeux énergétiques et écologiques du XXIème siècle.
1. Des piles plus propres et plus performantes
a. Toxicité des piles non rechargeables
Une pile électrochimique est non rechargeable. Une fois usée, elle ne peut plus servir au consommateur. Par contre, comme les matériaux qui la composent peuvent être retraités, des centres de recyclage de piles ont vu le jour, alimentés par des collectes de piles usagées (hypermarchés …). Aussi, ces piles sont des déchets spéciaux (ne pas jeter avec les ordures ménagères) : elles contiennent souvent des substances toxiques, comme des métaux lourds.

Pour les piles salines, on a vu que l’anode était constituée de zinc en contact avec un électrolyte acide (chlorure d’ammonium). Ainsi, le zinc pourrait être attaqué par l’acide, ce qui libèrerait du dihydrogène gazeux, et ferait exploser la pile. Pour résoudre ce problème, le zinc a été amalgamé par du mercure. Cela consiste en un alliage superficiel entre le zinc et le mercure. D’autre part, des piles boutons utilisaient du mercure en tant que couple rédox avec de l’oxyde de mercure : .

Cependant, l’utilisation de mercure dans les piles a été interdite durant les années 90, sauf dans à l’état de traces et dans les piles boutons où il peut subsister un pourcentage de mercure.
b. De nouveaux types de piles
La technologie dans le domaine des piles a évoluée. Depuis 1959, la pile alcaline (au manganèse) (voir fiche « piles et accumulateurs ») a été mise sur le marché. Plus chère que la pile saline, elle est cependant indiquée pour une utilisation intensive. Depuis 1992, il existe même certains modèles de « piles alcalines rechargeables », créées par le co-inventeur de la pile alcaline, Karl Kordesch.

Plus récemment, une pile zinc-air a été mise au point. Celle-ci utilise toujours le zinc, mais l’oxydant est le dioxygène de l’air, d’où son nom. Cela diminue naturellement l’emploi de matériaux chers et/ou toxiques. Par contre, elle permet de délivrer plus d’énergie qu’une pile ordinaire.
A l’anode, le zinc est oxydé : .
A la cathode, le dioxygène est réduit : .
Ces piles sont utilisées dans les appareils auditifs, ou sur certaines installations fixes (signalisation ferroviaire …).

Depuis 1970, le remplacement du zinc par d’autres métaux plus réducteurs comme le lithium a été étudié. La pile bouton au couple Lithium-dioxyde de manganèse est la plus connue. Les piles au lithium ont des capacités voisines de celles des piles alcalines. Mais surtout, ce sont des piles à grandes durées de vie, car elles maintiennent leur tension stable durant toute leur vie. Elles sont employées en électronique (piles des montres), informatique, médical … Toutefois, du point de vue sécurité, le lithium est très réactif avec l’air et l’eau.
2. Les accumulateurs
a. Energie massique
Un accumulateur (ou une pile) est caractérisé par sa capacité, qui s’exprime en Coulomb ou en Ampèreheure (Ah). On peut aussi raisonner par rapport à l’énergie électrique totale délivrée par l’appareil, exprimée en Joule ou en Wattheure (Wh).

Afin de prendre en compte la masse de la batterie, la notion d’énergie massique est alors employée. C'est l’énergie électrique restituée par la batterie divisée par sa masse et s’exprime habituellement en Wattheure par kilogramme ().

Par exemple, une batterie de et de capacité chargée au maximum peut en théorie délivrer un courant de pendant 50 heures. La puissance électrique délivrée est alors . En 50 heures, l’énergie électrique fournie est . Si la batterie a une masse de , cela fait une énergie massique de .
b. Défauts des batteries au plomb
Les accumulateurs au plomb sont employés dans les voitures à moteurs thermiques pour alimenter le système électrique du véhicule. Cependant, ils souffrent de deux problèmes :

• Le plomb est un métal lourd. Il est toxique pour les être vivants, y compris les humains (saturnisme).
• La batterie au plomb est lourde. Son énergie massique est basse comparée à ses rivales, de valeur .

Le second argument est sans jeu de mots un argument de poids. En effet, un véhicule électrique dont la batterie fournirait une énergie électrique totale de devrait emporter environ de batteries au plomb !
c. Les « piles rechargeables » et les accumulateurs de nouvelle génération
Le terme de « pile rechargeable » est un abus de langage pour désigner les accumulateurs qui ont le même format et/ou la même utilisation que les piles.

Dans ce cadre là, on rencontre principalement trois types d’accumulateurs :
• Les accumulateurs nickel-cadmium (NiCd), d’énergie massique entre 45 et 80 Wh/kg.
• Les accumulateurs nickel-métal-hydrure (Ni-MH), où on a entre 60 et 110 Wh/kg.
• Les accumulateurs lithium-ion (Li-ion), de forte énergie massique : 90-180 Wh/kg.

Les accumulateurs utilisés à la place des piles sont plus chers à l’achat que celles-ci, et demandent de posséder un chargeur. Ils peuvent se décharger partiellement quand ils ne sont pas employés (autodécharge). Certains sont constitués de métaux lourds et/ou toxiques. Les accumulateurs Ni-Cd contiennent du Cadmium toxique, ce qui a amené à son interdiction dans certaines applications. D’une manière générale, il est nécessaire qu’ils soient collectés en fin de vie pour traitement et recyclage.

Mais, l’amortissement financier est vite réalisé, surtout si les accumulateurs sont employés dans des appareils fonctionnant souvent et/ou « gourmands » en énergie. Aussi, comme les piles jetables ne sont pas totalement recyclables, l’impact environnemental des accumulateurs est nettement moindre. Ils génèrent moins de déchets, puisqu’un accumulateur peut être rechargé jusqu’à environ 1000 fois. Sa durée de vie est de quelques années.

Au-delà de l’emploi en tant que pile, les accumulateurs sont utilisés dans les téléphones et ordinateurs portables (batteries Ni-MH, Li-ion ou lithium polymère), les véhicules électriques (Li-ion), ... D’autres accumulateurs sont à l’étude, comme les Li-air, et pourraient atteindre une énergie massique de 1500 à 2500 Wh/kg !
3. Les piles à combustibles
Les piles et accumulateurs fournissent directement de l’énergie électrique. Toutefois, les matériaux employés dans les couples rédox peuvent être chers et/ou polluants. A l’opposé, une combustion utilise un carburant meilleur marché, mais le rendement est faible (30% pour un moteur essence), de part la conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique.

Les piles à combustibles sont une solution afin de concilier ces deux approches. Elles utilisent un combustible et un comburant afin de produire directement l’électricité. Le principe de fonctionnement a été établit en 1839. Cependant, elles ne furent employées que dans les années 50-60, afin d’alimenter les ordinateurs embarqués lors des missions spatiales Gemini et Apollo de la NASA.

Une pile à combustible se compose d’un assemblage de plusieurs éléments, d’où le terme de pile. On a représenté ci-dessous un élément de pile à combustible utilisant le dihydrogène comme combustible (pile à combustible à membrane d'échange de protons) :


Au niveau de l’anode, le dihydrogène est oxydé selon la demi-équation :

Les électrons sont collectés et envoyés dans le circuit électrique. Les ions (protons) vont se déplacer dans l’électrolyte afin de rejoindre la cathode. Au niveau de cette électrode, le dioxygène qui y est injecté est réduit :


La réaction globale a le même aspect que la combustion du dihydrogène dans le dioxygène :

L’eau produite par la pile à combustible ne constitue bien entendu aucune source de pollution, ce qui fait de la pile une source d’énergie propre.

Mais, un point faible d’une pile à combustible est le platine utilisé comme catalyseur, cher et polluant. Des études récentes cherchent à diminuer sa présence ou à le remplacer.

Une autre difficulté se situe en amont, pour produire le dihydrogène. Il s’obtient par hydrolyse de l’eau (très couteuse énergétiquement), ou par des combustibles fossiles (vaporeformage) mais au prix de rejets de ! Aussi, le dihydrogène est moins facilement liquéfiable que le méthane (cf méthaniers), ce qui nécessite de le transporter sous la forme de gaz sous pression (fuites).

D’autres modèles de piles à combustibles sont à l’étude, utilisant d’autres combustibles, comme des alcools. La recherche dans le domaine des piles à combustible est active.
L'essentiel
Les piles électrochimiques ont évolués, surtout depuis 50 ans. Des piles performantes (piles alcalines), avec une grande durée de vie (pile au lithium) sont apparues. En parallèle, la législation a limité l’emploi des métaux lourds et toxiques dans les piles. En concurrence des piles jetables, les accumulateurs présentent une alternative afin de limiter l’impact environnemental lié à la fabrication et au traitement des piles.

Afin de comparer l’efficacité énergétique d’un accumulateur, la notion d’énergie massique est utilisable. Elle peut s’exprimer en  . C’est l’énergie électrique que peut fournir un accumulateur divisée par sa masse. D’autres paramètres entrent en ligne de compte afin de l’évaluer, comme son autodécharge, ou la toxicité de ses constituants (Ni-Cd).

Les piles à combustibles utilisent un combustible et un comburant afin de convertir directement l’énergie chimique en énergie électrique, à la différence d’une machine thermique.
Aller plus loin
Les piles à combustibles peuvent être confondues avec les piles atomiques, dont le vrai nom est générateurs thermoélectriques à radio-isotope. Ces derniers ne sont pas des réacteurs nucléaires. Ils utilisent la chaleur produite par des éléments radioactifs, afin de générer de l’électricité par des phénomènes thermoélectriques. Leur rendement ne dépasse pas 10 %, mais certains ont une grande durée de vie (50 ans …), ce qui justifie leur emploi dans des sondes spatiales (Voyager 1 et 2).

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