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Les batteries, comment ça marche ?

Quelques notions d'électrochimie et d'électronique en préambule pour bien comprendre le fonctionnement des batteries.
Les batteries, comment ça marche ?

Un peu d'histoire


C'est en 1860 que le français Gaston Planté (1834-1889) construit la première "pile électrique" rechargeable, il l'appelle alors pile secondaire ou accumulateur.

Il utilise deux feuilles de plomb, séparées par une bande de caoutchouc, enroulées en spirale et plongées dans une solution liquide acide. La réaction chimique provoquée par le couple plomb + acide permet de stocker de l'électricité dans le dispositif lorsqu'il est parcouru par un courant électrique continu, c'est la période de "charge".

Dans un second temps l'électricité est restituée lorsque un dispositif électrique, par exemple une ampoule, est raccordé à l'accumulateur. Le terme "décharge" est alors utilisé.

Un accumulateur est en quelque sorte un "réservoir d'électricité". Le mot "batterie" utilisé de nos jours est une forme simplifiée de l'expression "batterie d'accumulateurs" décrivant plusieurs accumulateurs connectés ensemble.

Des batteries d'accumulateurs au plomb produits sur le principe inventé par Gaston Planté furent utilisées dès la fin du 19e siècle dans des véhicules. De nos jours nous les trouvons toujours, construits sur ce modèle initial, dans les batteries utilisées par nos automobiles pour leur démarrage. De nombreux perfectionnements ont bien depuis été apportés : l'acide liquide a été remplacé par un gel acidulé, les boîtiers sont en plastique résistant aux chocs, les accumulateurs sont scellés pour éviter les fuites, mais le principe initial reste le même.


Technologie des batteries


Au long de ce dossier nous allons aborder des notions techniques issues de disciplines pouvant être hermétiques à la plupart d'entre nous. Ces disciplines : l'électronique, l'électricité, l'électrochimie, l'électrotechnique, sont cependant déchiffrables si on les aborde avec quelques clés de compréhension relativement simples. En préalable à la découverte des différentes technologies utilisées dans les véhicules électriques nous vous proposons donc un bref rappel de quelques notions techniques.


Notions d'électrochimie et d'électronique


Les accumulateurs, au même titre que les piles électriques, sont des générateurs électrochimiques. C'est-à-dire qu'ils produisent de l'électricité à partir de réactions chimiques. Ils sont étudiés et développés dans une discipline scientifique appelée électrochimie qui s'intéresse aux relations entre la chimie et l'électricité.

L'électrochimie décrit les réactions, les phénomènes qui ont lieu à l'interface de deux systèmes conducteurs, cela à l'échelle des atomes. Ce sont des réactions et phénomènes chimiques couplés à des échanges réciproques d'énergie électrique.

Ces échanges d'énergie, électroniques et ioniques, s'effectuent lors du transfert de charge d'un ou plusieurs électrons, produisant de l'électricité

Dans cette discipline sont étudiées des particules élémentaires : atomes, électrons, ions, à une échelle ou tous les éléments sont infiniment petits.

Nous verrons ultérieurement l'importance de cette précision, les progrès actuels des accumulateurs étant liés au développement des nanosciences et nanotechnologies, les sciences et technologies à l'échelle de l'atome.


Composition de la matière

Couper une goutte d'eau (H2O) en deux parties aboutit à deux gouttes d'eau plus petites. Si on continue à diviser en deux les gouttes d'eau il arrive un moment où la plus fine goutte est constituée d'une seule molécule. Couper cette molécule en deux fait que l'on se trouve en présence non pas d'eau, mais des constituants de la molécule d'eau : un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène.


La molécule

La matière, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse se compose de molécules qui sont des groupements d'atomes. Par exemple le sel de cuisine, appelé chlorure de sodium, est formé d'un atome de sodium et d'un atome de chlore.


L'atome

L'atome est la plus petite partie d'un élément chimique à l'état électrique neutre. Il est susceptible de former des combinaisons avec d'autres atomes pour constituer des molécules. En tant que plus petite partie d'un corps, l'atome a été imaginé dans l'Antiquité. Mais c'est seulement au 19e siècle qu'il put être étudié et modélisé. On doit à Ernest Rutherford, un physicien anglais d'avoir proposé la représentation de l'atome sous la forme d'un système solaire miniature.

Alors que le nombre de molécules possibles nous parait infini, le nombre d'atomes est limité. Dans la nature on ne trouve pas plus de 92 corps simples différents. Ils sont représentés dans le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev ou classification périodique des éléments. Il représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique, laquelle sous-tend leurs propriétés chimiques.

La classification des éléments est effectuée à partir de leur nombre de protons, de leur numéro atomique. Le Lithium (Li), dont on parle beaucoup dans l'univers des batteries, comporte 3 protons et a pour numéro atomique 3.


La structure de l'atome

L'atome est constitué d'un noyau atomique (protons, neutrons) autour duquel gravitent des électrons répartis sur une ou plusieurs orbites ou couches. Conventionnellement on représente l'atome comme constitué d'électrons gravitant autour d'un noyau, comme le feraient des satellites autour d'une planète. • Les électrons sont les particules élémentaires contenant la plus petite charge d'électricité négative. • Les protons sont les particules élémentaires contenant la plus petite charge d'électricité positive. • Les neutron sont les particules élémentaires électriquement neutres.

Le proton a une charge positive égale en valeur absolue à celle de l'électron qui lui, est négatif. A son état normal un atome est neutre, le nombre d'électrons étant égal au nombre de protons.


Les ions

Un ion est un atome ou une molécule dont on a enlevé ou ajouté un ou plusieurs électrons. Ainsi, un atome ou une molécule étant toujours électriquement neutre, un ion est soit positif soit négatif. Un ion a donc des propriétés physico-chimiques différentes de la molécule dont il provient. Un ion positif est appelé un cation et un ion négatif est appelé un anion.


Électricité des électrons en mouvement

L'électricité, ou courant électrique, est définie par un flux d'électrons et d'ions.

Dans le cas d'un métal conducteur (comme un fil électrique), le courant électrique est constitué par le mouvement des électrons libres (charges négatives) tandis que les noyaux des atomes (charges positives) restent fixes dans la structure du métal.

Il s'établit un courant électrique dans un conducteur lorsque celui-ci relie un "réservoir" électrique négatif, donc chargé d'électrons à un "réservoir" électrique positif, donc chargé d'ions positifs.

L'exemple typique est celui d'une pile débitant dans une résistance.


Anode et cathode

Ces deux termes sont utilisés pour définir les points d'entrée et de sortie du courant électrique, les bornes ou électrodes, d'une pile ou d'une batterie.

La borne négative (-) d'une pile correspond à l'anode où se produit la réaction d'oxydation qui va fournir les électrons. La borne positive (+) d'une pile correspond à la cathode où se produit la réaction de réduction qui va consommer les électrons."

Dans un accumulateur, ces rôles s'inversent selon que l'appareil débite (actif) ou se charge (passif).

Les cathodes et anodes d'un accumulateur sont donc alternativement positives et négatives selon leur état, charge ou décharge.



Reportage - les batteries, comment ça marche ? (Arté TV)

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