Comment fonctionne une batterie de voiture

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
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.
 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).
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Etude d’une batterie lithium-ion
2
Etude expérimentale d’une cellule d’accumulateur au plomb
le document :
http://bit.ly/batteriedoc

Données :
- Les couples impliqués dans cette expérience sont : PbO2(s) /Pb
2+ (aq) ; Pb 2+ (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
Pb
2+ 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 Pb
2+ 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 QC 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.
 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 ?
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Etude théorique d’une cellule d’accumulateur au plomb
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