Batterie au plomb

Batterie au plomb[1],[2]
Batterie d'automobile (12V 40Ah)
Caractéristiques
Énergie/Poids	20-40 Wh/kg
Énergie/Volume	40-100 Wh/ℓ
Rendement charge-décharge	50 %
Auto-décharge	5%
Durée de vie	min. 4 à 5 ans
Nombre de cycles de charge	500 à 1200
Tension nominale par élément	2,1 V
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Une batterie au plomb est un ensemble d'accumulateurs au plomb-acide raccordés en série et réunis dans un même boîtier.

Ce système de stockage d'électricité est largement utilisé dans l'industrie ainsi que dans l'équipement des véhicules automobiles.

Historique

L'accumulateur au plomb a été inventé en 1859 chez le français Gaston Planté. Il a été en effet le premier à avoir mis au point la première batterie rechargeable. À l'origine, les accumulateurs étaient situés dans des cuves en verre. Par la suite, on a systématisé l'emploi des cuves en plastique.

De nos jours, les batteries sans entretien se généralisent : cosses traitées anti-sulfatage, plaques au plomb-calcium, supprimant le besoin de refaire le niveau de liquide, et donc permettant le scellement.

Caractéristiques techniques

Une batterie au plomb se caractérise essentiellement par :

• La tension nominale qui dépend du nombre d'éléments, la tension nominale U est égale au nombre d'éléments multiplié par 2,1 V. Généralement on considère qu'un accumulateur au plomb est déchargé lorsqu'il atteint la tension de 1,8V par élément, donc une batterie de 6 éléments ou 12 V est déchargée, lorsqu'elle atteint la tension de 10.8 V).
• La capacité de stockage, notée Q, représente la quantité d'énergie disponible (ne pas confondre avec la capacité électrique). Elle s'exprime en ampère-heure.
• Le courant maximal qu'elle peut fournir pendant quelques instants, ou courant de crête en ampères CCA (jusqu'à une température de 0°F soit -17.78°C).

Les valeurs maximales sont données par le constructeur pour une batterie neuve et chargée à 100%, elles varient sensiblement en fonction de l'état de charge, se dégradent en fonction du temps ainsi que de l'usage qui est fait de la batterie.

• Les réactions électrochimiques aux électrodes sont les suivantes :

Anode (oxydation):

$\mbox{Pb} (s) +\mbox{HSO}_{4}^{-} (aq) \leftrightarrow \mbox{PbSO}_{4} (s) +2e^-+ \mbox{H}^+\quad\epsilon^o = -0.356 \ \mathrm{V}$

Cathode (réduction):

$\mbox{PbO}_{2} (s) +\mbox{HSO}_{4}^{-} (aq) +3\mbox{H}^++2e^- \leftrightarrow \mbox{PbSO}_{4} (s) +2\mbox{H}_2\mbox{O} (l) \quad\epsilon^o = 1.685 \ \mathrm{V}$

Performances

La batterie au plomb est celle qui a la plus mauvaise énergie massique 35 Wh/kg, après la batterie Nickel-Fer. Mais comme elle est capable de fournir un courant de grande intensité, utile pour le démarrage électrique des moteurs à combustion interne, elle est encore très utilisée en particulier dans les véhicules automobiles. Elle présente aussi l'avantage de ne pas être sensible à l'effet mémoire.

Utilisation

Cette batterie sert à alimenter les composants électriques des véhicules à moteur à combustion interne, particulièrement le démarreur électrique. Lorsque le moteur fonctionne, elle est rechargée par une dynamo ou un alternateur.

Historiquement, les batteries de voitures ou de motocyclettes faisaient le plus souvent 6 volts (3 éléments). À l'époque moderne, les batteries à 12 volts (6 éléments) sont généralisées sur les voitures et motocyclettes, alors que les véhicules lourds ou militaires utilisent le 24 volts.

Les batteries au plomb servent aussi à alimenter toutes sortes d'engins électriques. Les voitures électriques ne se sont toujours pas imposées du fait du mauvais rapport masse/énergie des batteries, bien que le rendement d'un moteur électrique soit exceptionnel.

Ces batteries peuvent servir à stocker de l'énergie produite par intermittence, comme l'énergie solaire ou éolienne.

Charge

On charge une batterie au plomb en lui appliquant un courant continu d'une valeur quelconque (sous réserve de limites technologiques liées à la batterie elle-même ou à ses connexions), pourvu qu'elle n'entraîne pas aux bornes de la batterie l'apparition d'une tension supérieure à 2,35-2,40 V/élément (valeur à 25 °C)^{[réf. nécessaire]}.

L'application de cette règle conduit à constater dans la pratique deux phases de charge successives :

• 1/ La phase dite CC (Constant Current ou Courant Constant) au cours de laquelle la tension par élément est inférieure à 2,35 V malgré l'application du courant maximum dont est capable le chargeur : le courant est déterminé par le chargeur, et la tension par la batterie. La tension aux bornes de chaque élément augmente au fur et à mesure que la batterie se recharge.
• 2/ La phase dite CV (Constant Voltage ou TC Tension Constante), dite aussi « phase d'absorption » commence dès que la tension par élément atteint la valeur de 2,35 V/élément puisque l'application de la consigne ci-dessus conduit le chargeur (son système asservi le transformant en un générateur de tension) à ajuster le courant de telle sorte que la tension reste égale à 2,35 V/élément alors que la batterie continue de se charger. Le courant au cours de cette phase est donc une fonction décroissante du temps. Il tend théoriquement vers 0 asymptotiquement.

En fin de charge le courant en phase CV ne s'annule pas. Il se stabilise à une valeur faible mais non nulle qui n'accroît plus l'état de charge mais électrolyse l'eau de l'électrolyte. On préconise donc d'interrompre la charge, ou, si l'on veut appliquer une charge permanente (dite d'entretien ou de "floating", afin de compenser le phénomène d'autodécharge), de baisser la tension de consigne à une valeur de l'ordre de 2,3 V/élément.

La charge CC/CV s'est généralisée car elle seule permet de charger à fort courant (donc rapidement) sans endommager la batterie. Ce mode de charge est utilisé dans toutes les automobiles : en phase CC, le courant de charge dépend essentiellement de la vitesse de rotation de l'alternateur (et donc du moteur). En phase CV, la tension de consigne est maintenue par l'asservissement que constitue le régulateur de tension. Celui-ci diminue en effet le courant d'excitation de l'alternateur, de façon à ce que le courant de sortie de l'alternateur n'ait jamais pour résultat une tension supérieure à 2,35 V/élément (avec une légère correction en fonction de la température).
Lorsque dans le cas des chargeurs bon marché, on ne dispose pas d'un chargeur capable de limiter sa tension à la valeur de consigne correspondant à 2,35 V/élément, on recommande de limiter le courant de charge à par exemple 10% de la capacité de la batterie afin de minimiser les conséquences dommageables du dépassement de tension qui risque de se produire en fin de charge (ainsi que les conséquences néfastes pour la durée de vie des électrodes pendant la charge ?).

La tension de 2,34 volts par élément est appelée "Vgaz". Elle correspond à la tension où l'électrolyte sous forme liquide, s'électrolyse (2 H₂ + O₂).

Une batterie ne doit jamais être déchargée à plus de 80% de sa capacité nominale. La tension n'est pas une référence fiable dans le temps, puisque plus la batterie est âgée, plus la tension à tendance a baisser.

Causes de dégradation

Les principales causes de dégradation des batteries sont :

• la décharge complète
• le cyclage
• l'oxydation des électrodes
• l'oxydation des bornes

La sulfatation

La sulfatation représente l'accumulation de sulfate de plomb sur les électrodes. Ce phénomène apparait naturellement à chaque décharge de la batterie, et disparait lors d'une recharge. Cependant sous certaines conditions (décharge prolongée ou trop profonde, température importante, gazéification de l'électrolyte), des ilots stables de sulfate de plomb apparaissent et ne sont plus dissous lors de la charge. Le sulfate de plomb ainsi généré diminue la capacité de la batterie en empêchant les réactions sur l'électrode et de par sa faible conductivité électrique^[3].

Le processus de sulfatation est interrompu dès que la batterie est remise en charge.

Exemple : une batterie sulfatée de 1000 CCA à l'état neuf, mais contrôlée à 12 V et avec une puissance de 500 CCA, reprendra après recharge une tension supérieure ou égale à 12,6 V mais la puissance mesurée de 500 CCA évoluera peu.

Une batterie dans cet état ne permettra pas plusieurs démarrages consécutifs d'un véhicule automobile et pourra provoquer, par exemple, une panne immobilisante dès les premiers froids. De manière générale, si le véhicule n'est pas utilisé pendant une longue période, il faut recharger sa batterie régulièrement pour la faire durer.

Désulfatation

Il existe un moyen d'inverser le processus de sulfatation d'une batterie. Cela consiste en l'envoi d'impulsions électriques à la fréquence de résonance de la batterie (entre 2 et 6 MHz). Durant ce processus, les ions de soufre entrent en collision avec les plaques, ce qui a pour effet de dissoudre le sulfate de plomb qui les recouvre^[4],[5].

La décharge complète

Pour un véhicule automobile, la décharge complète de la batterie intervient généralement par une faible consommation pendant une durée prolongée (exemple : plafonniers) ou par une consommation importante (ex feux de croisement, ventilation), moteur à l'arrêt. La tension est alors très faible aux bornes de la batterie, inférieure à 10 volts pour une batterie dont la tension nominale est de 12 V.

Une batterie de démarrage se décharge également toute seule dans le temps. Elle risque donc d'atteindre sa décharge complète si elle n'est pas rechargée régulièrement. Pour cette raison, il existe les « chargeurs d'entretien » de batteries.

La plupart des batteries neuves ne sont que préchargées. Une batterie neuve, qui n'est pas rechargée au préalable avec un chargeur adapté, peut être amenée en décharge complète si le véhicule n'est pas utilisé pour recharger la batterie (avec un nombre suffisant de kilomètres).

Exemples :

• Installation de la batterie (sans recharge), démarrage (pour test), suivi d'un long stationnement ... décharge complète.
• Installation de la batterie (sans recharge), démarrage suivi d'un nombre de kilomètres limité (la batterie n'est donc pas suffisamment rechargée), stationnement, démarrage suivi de nouveau d'un nombre de kilomètres limité ... ainsi de suite jusqu'à décharge complète.

Les batteries en état de décharge complète doivent être rechargées dans un délai maximum de 48 heures : au-delà, les dommages sont irréversibles (sauf par désulfatation)^{[réf. nécessaire]}.

Cyclage

Les constructeurs de batteries indiquent leur durée de vie sous la forme d'un nombre de cycles normalisés de décharge/recharge.

À l'issue d'un certain temps de fonctionnement dépendant du nombre et de l'amplitude des cycles, la batterie est usée : l'électrolyte présente un aspect noirâtre.

Exemple : l'utilisation répétée d'un hayon élévateur moteur à l'arrêt accélère l'usure de la batterie par cyclage.

Oxydation des électrodes

L'oxydation est une cause de dysfonctionnement des batteries. Lorsque le niveau d'électrolyte est trop bas, les plaques entrent au contact de l'air et s'oxydent. La puissance au démarrage est amputée, même si le niveau d'électrolyte est complété. Le manque d'électrolyte peut venir d'une utilisation intensive (exemple : équipements auxiliaires, etc), d'une température extérieure importante (supérieure ou égale à 30 °C) ou d'une tension de charge trop élevée.

Oxydation des bornes

Il arrive qu'une batterie dont les cosses ne sont pas assez serrées, ou qui ne sert que très peu, voie ses bornes s'oxyder, ce qui empêchera le courant de passer .

Régénération de batterie

Les batteries plomb ouvert (chariots élévateur, nacelles etc...) ont une durée de vie limitée à environ 1.500 cycles. Lors du stockage et de la restitution de l'énergie au cours de cycles d'utilisation normaux, des cristaux de sulfate s'accumulent graduellement sur les électrodes, empêchant la batterie de fournir efficacement du courant. Les cristaux "étouffent" en fait la batterie. Même une charge de désulfatation n'empêche pas toujours que l'on doive remplacer la batterie après quelques années.

Une entreprise française a breveté un procédé de régénération : le procédé Phoenix. Les batteries subissent un traitement qui consiste à injecter dans celles-ci des fréquences séquentielles variables et modulables pendant un certain nombre d'heures (en fonction de l'état et de la puissance de la batterie). L'effet de ce traitement est de dissoudre de façon parfaite les cristaux et les impuretés qui se sont déposés sur les plaques intérieures de la batterie. Les batteries ainsi traitées, recouvrent des fonctions d'emmagasinage et de conductivité électrique identiques à celles d'une batterie neuve. Ce procédé est valable sur des batteries au plomb de type démarrage, stationnaire ou de traction.

Selon des estimations récentes, environ 80 % des batteries au plomb hors d'usage peuvent être régénérées. Il est cependant impossible de restaurer la plaque positive après 4 ou 5 ans d'utilisation normale d'une batterie. En conséquence une batterie de quelques mois peut effectivement être régénérée et l'on peut atteindre le taux de 80% de remise en état de fonctionner, plus sa durée d'utilisation augmente dans le temps et moins cela est possible(dégradation naturelle, due à la montée en température de la batterie, est inévitable).

Problèmes environnementaux et de recyclage

Le plomb est le produit le plus utilisé pour la production de batteries automobiles et de camions. C'est l'un des métaux reconnus parmi les plus toxiques. Il fond à basse température et est sublimé en vapeur à partir de 900 °C, ce qui en fait un des contaminants très toxiques de fumées et cendres d'incendies de véhicules, qui peut être dispersées dans l'environnement par les eaux d'extinction quand les pompiers interviennent.
Il est cause d'intoxications aïgues ou chroniques. (voir article sur le saturnisme).
Il est émis dans l'environnement durant le raffinage du minerai, la fabrication des batteries et leur recyclage. Les usines de recyclage du plomb des batteries, très polluantes ont souvent quitté les pays riches pour délocaliser leur activité dans des pays où la main d'œuvre est moins chère et où les réglementations environnementales sont moins contraignantes. Ainsi, en France, après la fermeture de Métaleurop-Nord, la seule usine de recyclage est Métal-Blanc à Bourg-Fidèle, qui ne peut suffire à répondre au marché. Une grande partie des batteries sont démantelées dans les pays en développement, parfois par des enfants, dans de très mauvaises conditions, par exemple au Sénégal où « Suite à un groupe de décès inexpliqués survenus chez des enfants du quartier NGagne Diaw de Thiaroye-sur-Mer, Dakar (Sénégal), une enquête effectuée par les autorités sanitaires et environnementales a révélé que cette zone était contaminée par du plomb provenant du recyclage sur le marché parallèle de batteries au plomb. En outre, on s’est aperçu que les mères et les frères et sœurs des enfants décédés avaient des concentrations sanguines de plomb extrêmement élevées, supérieures à 1000 µg/l dans bien des cas (chez l’enfant, une concentration supérieure à 100 µg/l peut altérer le développement neurologique et on estime que 700 µg/l justifient des mesures immédiates). »^[6].
La gestion des acides et des métaux tels que le nickel et le cadmium contenus dans les nouvelles batteries posent aussi des problèmes.

Bibliographie

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Notes et références

1. ↑ Yuasa - Spécifications électriques de la famille NP
2. ↑ Yuasa - Spécifications électriques de la famille SWL
3. ↑ site personnel du professeur Ernest Matagne (2004)
4. ↑ [PDF]Plus d'informations sur la désulfatation par impulsions électriques ainsi que des instructions pour réaliser un dispositif de désulfatage (site de l'auteur du document)
5. ↑ (en)[PDF]Do you want to extend the life of your lead-acid batteries? - Department of the Navy - Environmental Program - 6 août 2002
6. ↑ Saturnisme au Sénégal, Communiqué 2008 d'alerte sanitaire de l'OMS / Alerte et action au niveau mondial (GAR) (Senegal: Outbreak of lead intoxication in Thiaroye-sur-Mer 20 June 2008)

Voir aussi

Articles connexes

• Accumulateur électrique
• Chargeur (électricité)
• Batterie d'accumulateurs
• Plomb
• Plombémie
• Saturnisme
• Sécurité sanitaire
• Santé au travail
• Santé environnementale

Liens externes

• Expérience en images
• Batterie d'accumulateurs au plomb
• Animation en Flash