[Electrochimie] Batterie d'accumulateurs (En particulier au plomb)

[UknownStudent]

Bonjour,

Alors j'ai fait le tour des sites et videos sur le net mais plusieurs de mes questions restent en suspend, pourtant c'est pas faute d'avoir une certaine base (sans jeu de mots ) en Chimie (oxydoréduction, pile, atomistique etc...), je me résigne donc à faire appel à votre aide généreuse ^_^

En particulier j'aimerais comprendre le principe général d'une batterie, supposant que demain je veux en fabriquer une, quelles règles dois-je respecter ?? Quelle substances dois-je envisager ?? Le processus met en jeu deux couples redox il me semble, je dois donc en choisir deux de potentiels d'oxydoréduction assez différents ? Mais encore ? Pour l'électrolyte est ce qu'il doit réagir avec les électrodes et comment savoir lequel va pouvoir le faire ?
A ce titre pourquoi utiliser le plomb déjà pour des batteries ?? L'électrolyte qui contient de l'eau n'est-il pas conducteurs ?

Pour les équations des réactions de la batterie au plomb je les connais, mais ce que je voudrais savoir c'est l'ordre d'accomplissement de ces réactions et quel éléments y interagissent en réalité pour mieux comprendre le phénomène, Laquelle des réactions commence en premier ? Est ce que les électrons du Pb migrent réellement spontanément vers le PbO2 sans circuit fermé dans la phase de décharge ?

Voilà autant de questions sans réponses et qui me rongent le cerveau donc si quelqu'un peut m'aider par ici je lui en serai très reconnaissant

Si certaine sde mes questions sont trop vagues n'hésitez pas à me le faire savoir et j'essaierai d'être plus précis ...

Merci d'avance
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[invite07941352]

Bonjour,
En introduction des sujets , 15 à 20 pages au moins , sur la théorie des batteries plomb :
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00443615/document
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00008901/document

[40CDV20]

Bjr,

Bonjour,

Pour les équations des réactions de la batterie au plomb je les connais, mais ce que je voudrais savoir c'est l'ordre d'accomplissement de ces réactions et quel éléments y interagissent en réalité pour mieux comprendre le phénomène, Laquelle des réactions commence en premier ? Est ce que les électrons du Pb migrent réellement spontanément vers le PbO2 sans circuit fermé dans la phase de décharge ?

Merci d'avance

Donc pas de souci, il suffit de prendre les 3 phases dans l'ordre et l'écriture des réactions vient naturellement;
a) constitution de l'accumulateur, c'est à dire la première charge
à l'anode, Pb + 2H2O > PbO2 + 4H+ + 4e-
à la cathode, 4H+ + 4e- > 2H2
et l'accu [ PbO2/HSO4-/Pb ] est créé. A ce stade il peut y avoir des petites différences d'écriture.
+ -
b) décharge de l'accumulateur
je passe sur les 1/2 réactions pour arriver à l'équation bilan
PbO2 + Pb + 2HSO4- +2H+ > 2PbSO4 +2H2O
+ - + - * (*) précipite, ici aussi quelques différences d'écriture
c) recharge de l'accumulateur
réactions inverses de b) avec prépondérance du dégagement d'hydrogène à la cathode.

Au delà, si on veut s'essayer à l'amélioration de l'accu au plomb basique, il est facile de définir les conditions d'un fonctionnement optimisé et d'expérimenter (**).
Ça c'est sur le papier, dans la vraie vie pour avoir lu quelques communications de Yuasa (pour ne citer que lui) il apparaît que ça se complique rapidement au point d'en faire une spécialité à part entière.
(**), un ex. sur le plomb les surtensions d'oxydation et de réduction du solvant sont très élevées, ça va donc dans le bon sens, mais peut on faire mieux en élaborant des alliages de plomb, voire remplacer ce métal ? (hors considérations bassement économiques)
Bon courage, l'accu au naquada du Ltn Carter reste à découvrir (Stargate)
Cdt.

[40CDV20]

Désolé les signes + et - se sont déplacés.
en a) le + sous PbO2, le - sous Pb
en b) + sous PbO2, - sous Pb, + et - et * sous 2PbSO4

[A voir en vidéo sur Futura]

[UknownStudent]

Bonsoir,

Je m'excuse pour le retard de ma réaction au sujet (dû à mes conditions par ailleur).

Bon d'abord j'aurais du commencer par préciser certains détails mais mieux vaut tard que jamais, donc je ne suis pas chimiste et je ne cherche pas à le devenir ni à devenir un spécialiste de la batterie au plomb (Donc les cours de 200 pages ne m'interessent pas et ne me concernent pas, maios merci quand même).

Ce que j'aurais voulu comprendre et que je n'ai pas trouvé ailleurs, ce sont les principes généraux d'un accumulateur ...

@40CDV20

Excusez moi de vous dire mais non seulement ce que vous avez posté ne m'aide pas et n'ajoute rien à ce que j'ai vu ailleurs, mais en plus c'est faux ...

Et comme je l'avais dit je connais déjà les équations et la batterie au plomb n'est qu'un exemple pédagogique pour moi, d'ailleurs elle est condamnée à disparaitre et à etre remplacée, notamment par les batteries au Lithium ...

Ce qui m'aiderait pour comprendre ce sont des réponses aux interrogations de ce genre :

- Y-t-il réellement transmission spontanée des électrons du Pb vers PbO2 lorsque vous les re'liez par un conducteur ? (et qu'ils sont baignés dans l'électrolyte)
- D'après ce que j'ai vu sur le net, l'électrode de PbO2 n'en est pas entièrement faite, il s'agit simplement d'une fine couche de PbO2 le reste est du Pb, comme l'autre électrode, du coup qu'est ce qui les empechent de réagir de la meme manière que le PbO2 réagit avec le Pb de l'autre électrode puisqu'ils sont en contact ??
- Lors de la décharge les réactions avec l'électrode PbO2 me sont obscures, est-ce bien les ions H+ qui attirés par le potentiel négatif qui viennent capter les électrons en provenance de l'anode ? De plus il y a moitié moins d'électrons que d'ions H+ et d'après cette vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=0TvY...RNxHy83vzdt-4A c'est le plomb Pb qui fournit les deux autres, est ce réellement ainsi que ca se produit ?
- Où est réellement emmagasinée l'énergie ? Dans les électrodes ? Dans l'électrolyte (l'acide sulfurique) ? Dans les énergies de liaisons des molécules PbO2 ?
- L'électrolyte doit-il être un acide (pour un accumulateur électrochimique quelconque) ? Pourquoi ?
- Quel role doit jouer l'électrolyte en général hormis d'être un conducteur, quelles réactions chimiques doit-il assurer avec les électrodes ?
- En théorie est ce que n'importe quel couple Redox peut être utilisé pour un accumulateur ?
- Les accumulateurs peuvent ils avoir tous le même électrolyte ?

Voilà après on peut aller plus loin, et chercher les causes chimiques (sans rentrer dans les détails) des propriétés/performances de l'accumulateur : La quantité d'energie maximale emmagasinée, la vitesse de chargement (dépend-elle (uniquement) de la vitesse des réactions des électrolytes?), le courant maximale qu'elle peut débiter.

[moco]

Je vais essayer de répondre à tes questions.

1) La transmission des électrons d'une électrode à l'autre par le fil extérieur se fait à la vitesse de la lumière (ou presque).

2) La couche de PbO2 recouvre une plaque de plomb. Il faut se rendre compte de la manière qui a permis de la fabriquer. On commence par mettre deux plaques de plomb identiques en face l'une de l'autre. On les trempe dans de l'acide sulfurique dilué, et on effectue l'électrolyse de l'acide. Il se dégage de l'hydrogène au pôle négatif. Mais il ne se dégage pas d'oxygène au pôle positif, car l'oxygène, au lieu de se dégager, oxyde le plomb de la surface de l'électrode et forme PbO2. Cette électrode se transforme peu à peu en PbO2, mais seulement en surface. On peut en effet se demander pourquoi Pb ne réagit pas avec PbO2 au contact de la solution d'acide pour former PbSO4. Je n'en sais rien. Mais j'imagine que cela doit être dû à un problème de contact. Tant Pb que PbO2 sont des solides insolubles dans l'eau et les acides. Pour que la réaction se produise, il faut le contact entre trois espèces (Pb, PbO2 et H2SO4) dont deux sont insolubles. Ce n'est pas facile. La réaction, si elle se produit, s'arrête vite. Quand Pb s'oxyde en PbO2 pendant l'électrolyse, il n'y a peut-être pas assez de H2SO4 à leur contact pour que cette réaction se produise de manière significative.

3) Lors de la décharge, Pb perd ses électrons au pôle négatif, forme l'ion Pb2+ qui réagit avec les ions sulfate pour former PbSO4 blanc et insoluble. Ceci a aussi tendance à chasser les ions H+ vers l'autre électrode. Sur l'électrode positive, les électrons extérieurs traversent le plomb puis PbO2, et attirent les ions H+ de la solution. Pédagogiquement parlant, on peut dire qu'il se passe en cascade les trois équations simultanées suivantes :
2 H+ + 2 e- --> H2
H2 + PbO2 --> PbO + H2O
PbO + H2SO4 --> PbSO4 + H2O.
D'habitude on présente cette réaction en sommant ces trois équations, et cela donne l'équation que tu connais.

4) Où est emmagasinée l'énergie ? Avant tout dans le dioxyde de plomb PbO2

5) L'électrolyte doit être acide. Et même cela doit être de l'acide sulfurique. Ce n'est pas fondamental pendant l'opération de charge. Mais pendant la décharge, il faut pouvoir produire H2 qui va réduire PbO2. Et il faut de l'acide sulfurique pour former un précipité de PbSO4. Si on avait utilisé de l'acide nitrique HNO3 ou chlorhydrique HCl, la décharge aurait formé PbCL2 et Pb(NO3)2 qui sont solubles dans l'eau et l'acide correspondant. Pendant la recharge, qui est de nature électrolytique, on transforme en retour le PbSO4 qui s'est formé contre les plaques, et on régénère Pb d'un côté et PbO2 de l'autre. Il ne se dégage pas de H2 à la cathode, mais du plomb issu de PbSO4. Si on avait utilisé un autre acide, on électrolyse au pôle moins tout le plomb de la solution, y compris celui qui vient du pôle plus. Si on répète plusieurs fois ce cycle charge-décharge, il va finir pas ne plus y avoir de plomb du tout au pôle positif. Ce serait une batterie lamentable.

6) Il existe des accumulateurs où l'électrolyte est basique. Cela dépend de la chimie de chaque électrode. L'accumulateur nickel-cadmium par exemple demande une solution basique.

7) En théorie, n'importe quel couple redox peut servir à former une pile. Pour faire un accumulateur, il faut encore que le résidu de l'oxydation et de la réduction qui se produit pendant la décharge puis être inversé plusieurs fois, ce qui n'est pas le cas de la batterie au plomb avec un autre acide que acide sulfurique.

8) Il existe des accumulateurs dont l'électrolyte n'est ni acide ni basique, comme les piles à ions lithium. Ici le pôle négatif est fait de lithium métallique pressé dans du graphite solide. Sous pression le métal lithium est assez mou pour s'insèrer entre les feuilles de carbone du graphite. Le matériau ainsi obtenu est prêt à libérer des électrons comme n'importe quel métal (et former Li+ + e-). Mais il ne faut pas travailler dans l'eau, car le métal lithium réagit avec l'eau selon : 2 Li + H2O --> 2 LiOH + H2. Donc il a fallu trouver un solvant dans lequel les ions Li+ se dissolvent, et c'est un éther. De l'autre côté, l'électrode est en oxyde de cobalt Co2O3, qui réagit avec les électrons et les ions lithium, selon : Co2O3 + 4 Li+ + 4 e- --> 2 Li2CoO3.
Pendant la recharge, les deux réactions marchent fort bien en sens inverse, et on régénère les deux électrodes.

Cela te va?