accumulateurs

IUFM DE TOULOUSE 1995/1996
PHYSIQUE APPLIQUEE
Stagiaire IUFM: Melle ESTEVENON Emmanuelle
Mémoire suivi par: M. D. VEYRAT
ACCUMULATEURS
MEMOIRE DE 2 ° ANNEE

I.U.F.M. TOULOUSE ACCUMULATEURS 2
ACCUMULATEURS
par Melle ESTEVENON Emmanuelle suivi par M . D. VEYRAT
Résumé:
Après un bref historique sur les accumulateurs, les principes de fonctionnement, la
technologie et les caractéristiques électriques des accumulateurs au plomb et au
nickel - cadmium seront présentés, suivi des caractéristiques électriques d’autres types
d’accumulateurs.
Leur applications actuelles seront exposées ainsi que leurs perspectives d’utilisation .
En effet la multiplication des batteries portatives, les problèmes liés au stockage de
l’énergie et le marché potentiel du futur véhicule électrique sont des facteurs de
développement pour cette industrie.
Les accumulateurs au plomb sont les plus répandus mais d’autres couples
électrochimiques tels que le couple nickel - cadmium (le mieux à même aujourd’hui
d’équiper les véhicules électriques) se sont développés.
Deux applications de ce mémoire sont proposées:
Une en classe de première STI génie électronique apparaissant sous la forme d’un TP
intitulé ’’Tracé de la caractéristique d’ un accumulateur’’ et une en classe de terminale
génie mécanique apparaissant sous la forme d’un exercice concernant l’autonomie d’un
véhicule électrique.
Mots clefs:
Batteries - Accumulateurs - oxydoréduction - stockage de l’énergie - piles
rechargeables - véhicules électriques.
Informations matérielles:
-Traitement de texte utilisé: Word 6
-Volume du fichier: 1352Ko
-nombre de pages: 36
-documents non numérisés: 5
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ACCUMULATEURS
SOMMAIRE:
Introduction page n°4
I - Historique page n°5
II - Caractéristiques électriques générales page n°7
des accumulateurs
III - Accumulateurs au plomb page n°8
1°- Principe de fonctionnement page n°8
2°- Constitution et méthode de fabrication page n°12
1°-Constitution page n°12
2°-Assemblage page n°12
3°-Méthode de fabrication des différents page n°12
constituants
3°- Caractéristiques électriques page n°13
IV - Accumulateurs nickel - cadmium page n°16
1° - Principe de fonctionnement page n°16
2°- Constitution et fonctionnement des éléments
cadmium - nickel page n°17
3° - Caractéristiques électriques des éléments
cadmium - nickel page n°19
V - Caractéristiques électriques d’autres types
d’accumulateurs page n°21
VI - Utilisation des accumulateurs - perspectives d’avenir page n°23
1°- Applications actuelles et perspectives d’avenir page n°22
2°- Perspectives d’avenir pour les couples
électrochimiques déjà existants page n°25
3° - Nouveaux couples électrochimiques page n°26
VII - Comparaison des performances de différents types
de batteriescommercialisées ou en voie de développement page n°28
VIII - Application dans la classe page n°31
Bibliographie page n°36

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INTRODUCTION
Les problèmes de production et de stockage de l’énergie électrique ont pris aujourd’hui
une ampleur considérable . Parmi les moyens les plus anciens de production de l’énergie
électrique , il existe les générateurs électrochimiques.Ils fournissent l’énergie électrique à
partir de réactions chimiques d’oxydoréduction . Ils permettent aussi de stocker l’énergie
électrique .
Les générateurs électrochimiques sont constitués de deux électrodes placées dans un
milieu solide ou liquide appelé électrolyte.Une réaction chimique d’oxydation consistant
en une perte d’électrons a lieu au niveau d’une électrode (anode).Une réaction chimique
de réduction consistant en une capture d’électrons a lieu au niveau de l’autre électrode
(cathode ) . Les électrodes (ou conducteurs ) permettent ensuite le transfert des électrons
et donc le passage du courant dans le circuit extérieur . Dans l’électrolyte , la circulation
du courant est assurée par les ions . L’électrolyte doit permettre la circulation des ions
mais pas des électrons pour éviter de court - circuiter les électrodes et donc le circuit
extérieur .
On distingue plusieurs types de générateurs électrochimiques :
- Les piles électriques
Elles sont conçues pour un usage unique . L’énergie qu’elles produisent y est
introduite de manière chimique au moment de leur fabrication .
Elles sont qualifiées de générateur primaire .
- Les accumulateurs
L’énergie électrique est fournie par un générateur extérieur , elle est ensuite stockée
sous forme chimique par l’accumulateur et elle peut ensuite être restituée .
Contrairement à la pile , l’énergie électrique n’est pas contenue d’origine dans les
éléments chimiques qui le constituent .
Ils sont qualifiés de générateurs secondaires.
-Les piles à combustible
L’énergie électrique qu’elles produisent y est introduite de manière chimique . Ces
éléments chimiques sont renouvelés au fur et à mesure que la pile fonctionne.
- Il existe aussi des piles que l’on peut recharger en remplaçant une électrode ,
généralement l’anode lorsque ses constituants sont consommés . C’est le cas par
exemple de la pile aluminium - air .
Nous allons nous intéresser dans la suite de ce mémoire aux accumulateurs (couramment
appelés batteries) . Ce dernier terme étant impropre puisqu’il désigne tout assemblage de
plusieurs éléments qu’il s’agisse de piles ou d’accumulateurs. Les batteries
(d’accumulateurs) sont constituées d’éléments d’accumulateurs connectés entre eux.
Les accumulateurs mettent en jeu pour leur fonctionnement des couples électrochimiques
réversibles , c’est à dire des électrodes dont la composition chimique se modifie dans un
sens lors de la charge et dans l’autre lors de la décharge .
Les principaux alliages utilisés pour la réalisation des éléments d’accumulateurs sont:
- Le plomb - calcium
- Le plomb - antimoine
- Le plomb pur
- Le nickel - cadmium
On parlera plus généralement d’accumulateurs au plomb ou au nickel - cadmium .

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Nous commencerons ce mémoire par un historique des accumulateurs. Nous
présenterons ensuite le principe de fonctionnement, la technologie et les
caractéristiques électriques des accumulateurs au plomb et au nickel -cadmium .Nous
donnerons brièvement les caractéristiques électriques d’autres couples électrochimiques
existants. Nous nous intéresserons ensuite aux applications actuelles de ces
accumulateurs et verrons leurs nouvelles perspectives d’utilisation.Nous comparerons
alors les performances de divers couples électrochimiques.La dernière partie de ce
mémoire sera consacrée à son application dans les classes de STI (Sciences et
Technologies Industrielles).
I - HISTORIQUE
A la fin du XVIIIième siècle , les connaissances en électricité sont encore très limitées.
Les machines électrostatiques sont connues. ( Otto. von Guericke réalisa la première
machine électrostatique au XVIIième siècle ).On sait fabriquer des bouteilles de Leyde
(premiers condensateurs),inventées par Petrus Van Musschenbroeck en 1746.On a
quelques connaissances en électrostatique grâce notamment aux travaux de
Charles Augustin Coulomb et de Henry Cavendish .
Mais des le dès le début du XIXième siècle , les découvertes dans le domaine de
l’électricité vont se multiplier.
Alessandro Volta (1745 - 1827 ) , physicien Italien réalisait des expériences sur la
contraction des muscles de grenouilles.Il remarqua qu’il obtenait des contractions de ces
derniers en reliant deux points d’un même muscle par un arc constitué de deux métaux
différents.Il en déduisit que le contact entre les deux métaux engendrait le ’’fluide
électrique’’et que les muscles de l’animal jouaient le rôle de détecteur du ’’ fluide
électrique’’ .
Volta poursuivant ses recherches réalisa alors un dispositif connu son le nom de pile à
colonne , consistant en un empilement de rondelles de zinc et de cuivre séparées par des
morceaux de drap imprégnés d’eau , d’eau salée ou de lessive . Ce dispositif lui permit
d’obtenir un courant continu permanent.Il venait de réaliser la première pile , c’était en
décembre 1799.
Volta ne remarqua pas que c’était des réactions chimiques entre les métaux et l’eau
acidulée qui étaient à l’origine du phénomène . Il cru jusqu’à la fin de sa vie que seul le
contact entre les deux métaux était à l’origine du phénomène.
Le développement des piles fut rapide , les physiciens cherchant à obtenir des
générateurs plus puissants.Grâce à cette découverte , les connaissances en électrochimie
se sont développées.
Michael Faraday (1791-1867) étudia le processus d’électrolyse et plus tard le
physico-chimiste Suédois August Arrherius mis au point la première théorie sur
les ions en solution en 1884 .
En 1860 , Gaston Planté réalisa le premier accumulateur rechargeable au plomb