Transport TP 10B Comment fonctionne une batterie de voiture ? TSTI2D Capacités : - Expliquer le fonctionnement d’un accumulateur - Associer charge et décharge d’un accumulateur à des transferts et conversions d’énergie - Définir les conditions d’utilisation optimales d’une batterie d’accumulateurs : l’énergie disponible, le courant de charge optimum et le courant de décharge maximal 1 Etude d’une batterie lithium-ion Après avoir étudié le document sur les batteries des véhicules électriques en lien ci-contre, répondre aux questions ci-dessous : 1. Quel est la différence entre une pile et un accumulateur ? 2. Quels sont les éléments essentiels constitutifs d’un accumulateur ? 3. Quelle est la f.e.m. de l’accumulateur présenté ? 4. Quelle est la différence entre une batterie et une cellule d’accumulateur ? 5. Citer différents moyens de recharger une batterie électrique d’un véhicule électrique. 6. Rechercher des avantages et inconvénients des batteries Li-ion. 2 le document : http://bit.ly/batteriedoc Etude expérimentale d’une cellule d’accumulateur au plomb Préparer deux électrodes de plomb, préalablement décapées à la toile émeri, leur support et un bécher qui contiendra une solution d'acide sulfurique à 1 mol/L. ATTENTION : cette solution est très corrosive, les lunettes et les gants sont obligatoires ! C’est le professeur qui versera la solution dans le bécher une fois l’ensemble du montage vérifié. Préparer ensuite le circuit électrique en branchant les électrodes de la cellule d’accumulateur sur un générateur de tension variable en série avec un ampèremètre. Faire vérifier le montage par le professeur. A. Formation de l’accumulateur : 1er cycle avant utilisation Remarque : Il y a une différence importante entre l'accumulateur au plomb de voiture et l'accumulateur de cette expérience car l'accumulateur commercial est préformé c'est-à-dire que l’on a au préalable aggloméré les réactifs chimiques sur l'électrode, l’accumulateur est alors prêt à l’usage et ne nécessite pas ce premier cycle. Charge initiale : - Allumer le générateur, ajuster la tension aux bornes du générateur vers 3 V et ajuster l’intensité du courant vers 150 mA (jouer sur le bouton de réglage fin du générateur). - Au bout de 10 min environ arrêter le générateur. 7. Quel est alors l’aspect des électrodes de plomb une fois ce cycle de formation ? Décharge : - A la place du générateur, brancher une résistance de 22 Ω. 8. Comment évolue l’intensité du courant électrique dans ce circuit de décharge ? - Attendre la chute du courant ce qui marquera la fin de la décharge de l’accumulateur (arrêter la décharge lorsque l’intensité débitée n’est plus qu’à 20% de sa valeur initiale). B. Fonctionnement normal de l’accumulateur : cycle de charge/décharge Rebrancher le générateur sur les bornes de la cellule pour réaliser une charge à courant constant (maintenir le mieux possible une valeur de Ic = 150 mA à l’aide du bouton de réglage fin) pendant tC = 120 s. Réaliser ensuite une décharge dans la résistance R = 22 Ω et chronométrer ce temps tD de décharge. Relever la valeur du courant de décharge ID (valeur stable pendant les premières dizaines de secondes). http://lefevre.pc.free.fr 3 Etude théorique d’une cellule d’accumulateur au plomb Données : - Les couples impliqués dans cette expérience sont : PbO2(s) /Pb2+(aq) ; Pb2+(aq) /Pb(s) ; H +(aq)/H2(g) et 02(g)/H2O - PbO2(s) est de couleur marron. - Le plomb pulvérulent Pb(s) est de couleur gris - noir. - capacité en ampère-heure : 1 Ah = 1 A x 1h = 1A x 3600s = 3 600 C. A. Etude quantitative de la charge de l’accumulateur Remarque 1 : Au contact de la solution d’acide sulfurique concentré, les électrodes sont attaquées et des ions Pb2+ apparaissent en solution. 9. Après avoir observé l’état des électrodes après la 1ère charge, écrire les demi-équations chimiques correspondant aux observations aux électrodes lors de LA CHARGE. Remarque 2 : En fait les ions Pb2+ ne sont pas libres mais liés aux ions sulfate dans la solution acide. Ceci ne changera rien pour l’écriture des équations où l’on écrira Pb2+(aq) au lieu de PbSO4(s). 10. Préciser la réponse précédente en indiquant s’il s’agit d’une oxydation ou réduction. On peut observer des réactions parasites lors de la charge, qui, en plus des réactions identifiées précédemment, libèrent d’autres corps. 11. Qu’a-t-on observé lors de la charge au niveau des électrodes ? A votre avis, quels sont les deux corps formés au cours de ces réactions ? Ecrire les demi-équations chimiques correspondantes. B. Etude quantitative de la décharge de l’accumulateur 12. Sachant que les espèces chimiques consommées lors de la décharge sont régénérées lors de la charge, en déduire les demi-équations chimiques des réactions aux électrodes lors de LA DECHARGE. C. Quantités d'électricité et bilan de la charge 13. Calculer les quantités d'électricité qui ont traversé l'accumulateur à la charge Q C et à la décharge QD. 14. Calculer le rendement en quantité d'électricité de l'opération de charge-décharge : Q = QD/QC. 15. Calculer la capacité de cet accumulateur en Ah ou mAh puis en C. Pour les plus rapides Quelle est la tension aux bornes de votre batterie ? Combien de cellules d’accumulateurs sont installés dans une batterie de voiture classique ? Quelles sont les précautions à prendre lorsqu’on démonte une batterie ? http://lefevre.pc.free.fr