Les piles - généralité

Les piles transforment de l'énergie chimique en énergie électrique.

Les piles du type saline ou alcaline sont les piles habituelles pour poste de radio, jouet, lampe de poches, etc.

Les piles au mercure, argent ou au lithium sont les piles type "boutons", pour caméra, appareils de. photo, agenda électronique,...

 

le type (norme IEC) d'une pile est inscrit sur la pile ( par exemple 3R12, 6 LR61)

nombre d'éléments

1, 2, 6

* 1,5[V] =

  [V]

indication (éventuelle)

sur l'électrochimie

L,M,S,B,C,E,G,U, P

 

forme de l'élément

R, F, S

 

dimensions de la pile

cylindriques ou bouton

 

D / H [mm]

modifiez la première ligne des cases !

la norme ANSI donne : R03 => AAA; R1 =>N; R6 =>AA; R8 =>A; R12=>B;R14=>C; R20=>D;R22=>C; R25=>F;R26=>G;R27=>J;R40=>6.

 

 

 

construction des piles salines ou alcalines

Les piles sont construites avec 2 électrodes nommées pôle positif et pôle négatif, plongées dans un électrolyte.

Dans la pile saline, le boîtier en zinc représente le pôle négatif. Au centre de ce boîtier se trouve le pôle positif (charbon) qui est entouré par un dépolarisant (bioxyde de manganèse) et qui baigne dans l'électrolyte (chlorure d'ammonium).

Les matériaux utilisés dépendent du type de pile.

pile3.jpg (27808 octets)

Chaque élément d'une pile alcaline, fournit une tension de (environs et si neuve) 1,5 V.

Pour augmenter la tension d'une pile, le constructeur place plusieurs éléments en série.

par exemple : une pile 9 [V] est constituée de 6 éléments de 1,5 [V] branché en série.
Une 4,5 V  est composée de 3 éléments en série.

pile6.jpg (22469 octets)

 

Couplage des piles:

Le couplage parallèle est fortement déconseillé car un courant de décharge peut s'établir entre les piles si elles n'ont pas exactement la même tension U. Toutefois si on le fait on constate ceci:

   U = U1 = U2 =  ...= Un   [V]

Q =Q1 + Q2   +...+Qn  [C]

 

Le couplage série est utilisé pour augmenter la tension utile. Toutefois on n'augmente pas la durée d'utilisation :

   U = U1 + U2 +  ...+ Un   [V]

Q =Q1 = Q2   =...= Qn  [C]

 

note : Q exprime la quantité d'électricité en coulomb. Un coulomb représente 1 [As] (1 ampère pendant 1 seconde). Pour les piles et les accumulateurs il est d'usage d'employer un multiple de l' As soit Ah . 1 Ah = 3600 As.

Cette unité est utilisée par les praticiens qui vont jusqu'à parler de mAh (milli-Ah) alors qu'ils ne parlent pas de kC !!


 

 

les types de piles:(excepté les piles à combustible)

Fonctionnement des piles salines ou alcalines:

Dans la pile se produit des réactions chimiques  qui produisent une différence de potentiel entre ses deux pôles. Si l'on ferme le circuit extérieur, un courant circule du - au + à l'intérieur de la pile (du charbon au zinc). Par électrolyse, il se produit du chlorure de zinc et de l'ammoniac qui se dissolvent dans le chlorure d'ammonium (électrolyte). En même temps, de petites bulles d'hydrogène se collent à la surface du pôle positif et forme une couche électriquement isolante. On dit que la pile se polarise.

Au repos, le bioxyde de manganèse libère son oxygène qui se combine avec l'hydrogène pour former de l'eau . La résistance diminue, la pile se dépolarise. La tension U à vide augmente.

Toutefois le dépolarisant s'épuise de manière irréversible.

 

 

 

caractéristiques des piles:

La pile présente une tension à vide U [V] environs égale à 1,5 [V] pour une pile neuve. Cette tension diminue en cours d'utilisation selon une courbe qui varie selon le type de pile. Après une période de repos, cette tension "remonte" un peu, ceci est dû à la dépolarisation (diminution de la résistance interne, suite à une réaction chimique autours du pôle positif).

La capacité d'une pile dépend de ses dimensions. Elle peut atteindre quelques dizaines d'heures.

Capacité des piles (source Duracell) (voir d'autres exemples)
norme IEC norme ANSI C [mAh]
LR03 AAA 1175
LR06 AA 2250
LR14 C 7000
LR20 D 15000
6F22 9 V 550

La tension à ses bornes U [V] dépend de la tension à vide (parois notée E) et de la chute de tension interne (donc du courant débité et de la résistance interne Ri):

U = E - Ri I

Ci contre, on constate que pour n'importe quelle valeur de courant, E = U + Ri I .

Si U = 0 [V],  alors nous avons un courant de court-circuit.

Si U = E alors I = 0 [A].

Avec 2 mesures, on peut tracer la caractéristique U = f(I) de la pile et déterminer ses E et Ri .

tension d'une pile en fonction du courant

 

 

 

électrode +

électrolyte

électrode -

E [V]

énergie [Wh/kg]

présentation

exemple

saline

bioxyde de manganèse et carbone

chlorure d'ammonium et de zinc

Zinc (bac)

1,5

75

ronde/ rectangle.

R 14; R6

alcaline

bioxyde de manganèse et carbone

potasse

poudre de Zinc

1,5

125

ronde / rectangle.

LR61

mercure

oxyde de mercure et carbone

potasse

poudre de Zinc

1,35

175

bouton

argent

oxyde d'argent et carbone

potasse

poudre de Zinc

1,55

225

bouton

lithium

bioxyde de soufre ou chlorure de thionyle ou bioxyde de manganèse et carbone

sel de lithium

lithium

1,5; 3 ou 3,6

325

bouton

CR 2032 (3V)

note : les piles ne sont pas rechargeables. Il existe un système pour pouvoir les régénérer environs 25 fois mais seuls les accumulateurs sont rechargeables, quand aux piles à combustible, une fois le combustible "utilisé", il faut en remettre, ce n'est donc pas une recharge (inversion des processus chimiques).

 

 

tableau comparatif des capacités en [mAh]

    PR 41 70 SR 41 38
LR 43 65     SR 43 120
LR 44 95 PR 44 400 SR 44 130
    PR 48 170 SR 48 75
LR 54 38     SR 54 70
LR 55 20     SR 55 35
        SR 58 18
        SR 59 24
        SR 60 15

 

Tableau comparatif de décharge des piles

Dechpiles.gif (9467 octets)

 

 

Les piles à combustible

Ce type de piles est certainement La Pile du futur. Tant pour l'alimentation de voitures électriques, que pour des villas ou usine que pour de petits appareils (natel, ordinateur portable,etc..). Actuellement la NASA utilise des piles de ce genre.

 

La recherche pour des véhicules avance. Toutefois le prix est encore (1999) trop élevé : env. 20 000 Frs / kW - et une voiture a besoin d'environs 50 kW.

 

Des unités de 11 MW ont déjà été testée de 1991 à 1997. La durée de fonctionnement (vie) est seulement de 23 000 heures. Plus de 120 piles entre 50 et 500 kW ont été installées au Japon.

 

Une pile à combustible de 20W (env. 25 frs) permettrai 30 heures de communication... Une pile avec un 0,5 dm3 de graphite alimenterait plus d'un mois un ordinateur portable (20W).

 

 

fonctionnement.

Pour fonctionner, cette pile a besoin de deux éléments : l'hydrogène et l'oxygène et elle rejette de l'eau . Si la pile ne fonctionne plus, il suffit de lui redonner du combustible : l'hydrogène (elle peut prendre elle-même l'oxygène de l'air).

Le principe de fonctionnement est simple. Sur l'anode l'hydrogène; sur la cathode de l'oxygène

Le catalyseur est souvent à base de platine.

Entre les deux pôles, il y a un électrolyte (membrane échangeuse de protons) qui laisse passer les ions positif de l'hydrogène . Il y a oxydation de l'hydrogène et donc formation d'eau sur la cathode.

Les électrons eux ne peuvent pas traverser l'électrolyte et doivent donc prendre un autre chemin (circuit externe). Cela permet donc à un courant électrique de s'établir de la cathode à l'anode.

Pilec.gif (5360 octets)

La tension obtenue par un élément de pile à combustible est d'environs 1V. Pour augmenter la tension utile, on place des éléments en série. C'est à dire que l'anode d'une pile est séparée de la cathode de la pile adjacente par une cloison étanche qui permet la liaison électrique et qui est équipée de distributeurs pour l'oxygène et l'hydrogène (et éventuellement des canaux pour un liquide de refroidissement).

 

Le combustible pose toutefois un problème. Son volume est trop important sous forme gazeuse. Pour l'avoir à l'état liquide on perd 40 % de son énergie et l'hydrogène liquide s'évapore trop rapidement. Pour miniaturiser la pile, on utilise d'autres matériaux qui contiennent de l'hydrogène: décaline (C10H18), borhydrure de lithium, hydrure métallique solide, méthanol, hydrogène dans nanofibres de graphite, carbonate.

 

 

Les différents types de piles sont:

  •      à acide phosphorique (the best à ce jour, pour piles de plus de 100 kW, mais cher 25000frs/kW),
  •     à carbonate fondu (fonctionne à plus de 650 degrés, sans catalyseur coûteux)
  •     à oxyde solide (fonctionne à plus de 650 degrés, sans catalyseur coûteux),
  •     à membrane échangeuse de protons ( pour des petites puissances, ne laisse passer que les ions chargés positivement)
  •     à combustible alcaline ( navette spatiale, récupération de l'eau possible, bon rendement)

La température de la réaction varie beaucoup selon les procédés utilisés pour atteindre 800 degrés dans un pile à oxyde solide de 10 kW. La chaleur dans ce cas est réutilisée pour le chauffage de l'immeuble.


 

 

L'accumulateur:

 

L'accumulateur est un appareil qui converti de l'énergie chimique et énergie électrique et réciproquement. En effet si les piles habituelles ont une décharge irréversible et les piles à combustibles ont besoin d'un "plein d'hydrogène" pour continuer de fonctionner, l'accumulateur lui se recharge avec de l'énergie électrique.

 

 

fonctionnement :

  électrode

nég

électrolyte électrode

pos.

Une cuve isolante  contenant un électrolyte - un acide dilué (par exemple pour une batterie au plomb :acide sulfurique + de l'eau : H2SO4 + H2O) contient deux électrodes (p.e. : en plomb Pb). dont les surfaces vont chimiquement se combiner avec l'électrolyte ( p.e. les deux plaques se transforment en sulfate de plomb : PbSO4 ). A ce stade, il n'y a pas de différence de potentiel entre elles.

PbSO4

2H2O

faible densité

PbSO4

Lors de la charge, en raccorde une électrode au pôle positif et l'autre au pôle négatif de la source de tension continue. Un courant peut s'établir créant une électrolyse. Les plaques se modifient chimiquement (la positive devient  un bioxyde de plomb - PbO2 - et la négative du plomb pur- Pb). L'électrolyte  voit sa quantité d'acide sulfurique augmenter et sa densité augmente. A la fin de la charge, on mesure une tension d'environs 2 V entre les deux électrodes.

PbO2

2H2SO4

grande densité

Pb

Lors de la décharge ( raccordement d'un récepteur  sur les électrodes) un courant électrique s'établit. Il est de sens contraire à celui de la charge. Les transformations chimiques seront également inverse: les deux électrodes se retransforment en sulfate de plomb. La densité de l'électrolyte diminue.

PbSO4

H2O

faible densité

PbSO4

 

 

 

Les piles à l'eau de mer

 

Inventée vers 1970 les piles à l'eau de mer se développent réellement seulement depuis 1990. 

Elles sont composéespilemer.gif (2379 octets)

 

  • d'une anode métallique ( magnésium ou aluminium) et
  • d'une cathode formée d'un manteau interne du cuivre ou des fibres de carbone.

Fonctionnement:

L'oxygène contenu dans l'eau de mer sert d'oxydant et permet l'électrolyse ( l'eau de mer est donc l'électrolyte). L'eau de mer est corrosive et enlève l'oxyde de magnésium qui sui s'accumule lors de la réaction électrochimique et évite une augmentation de la résistance interne de la pile.

Un dépôts de calcaire se forme généralement sur la cathode et diminue ainsi le rendement de la pile.

 

 

Utilisation

Cette pile équipe déjà un robots sous-marin et lui fourni l'énergie utile à sa propulsion. Pour fonctionner elle a besoin d'un débit de 200 dm3 par seconde.

 


 

 

L'accumulateur au plomb:

 

fonctionnement

voir ci-dessus

Attention, il est bon de savoir que la capacité diminue si la température.

faites variez la température de -20  à + 25 degrés centigrade.

à cette température :degrés centigrade, la capacité est à environs % du total

Ceci est utile lorsque vous démarrer votre véhicule. Plus la température est basse, moins votre batterie est chargée, moins de fois vous pourrez essayer de le faire démarrer.

 

construction :

bateriepb.gif (26383 octets)L'accumulateur au plomb (type batterie de voiture ) est un couplage électrique "série" de plaques alternativement positives et négatives. Ces plaques peuvent être formées de tubes ou de grilles remplis de plomb pur spongieux ( plaques négatives - sur la photo, il s'agit de plaques à grilles) et de bioxyde de plomb (plaques positives). Les plaques sont posées dans une cuve contenant l'électrolyte. Les plaques ne touchent pas le fond de la cuve pour éviter qu'elles soient en court-circuit lorsque les déchets s'y accumulent.

Le tension de l'accumulateur ne dépend pas des dimensions de ses plaques qui n'ont d'importance que pour sa capacité Q [Ah; C]

 

entretient :

Actuellement les batteries de voitures ne demande plus d'entretien.

Les autres types de batteries doivent régulièrement subir des charges et décharges totales (sinon elles se sulfatent) . La charge de la batterie peut être contrôlée en mesurant la densité de l'électrolyte ( mesure en degrés baumé).

La durée de charge devrait se faire en 10 heures. Ce qui implique une valeur du courant de charge égale au dixième de la capacité de l'accumulateur ( Q= 60 Ah => I = 6 A).

La fin de la charge se constate par l'apparition de bulles (d'hydrogène et d'oxygène) dans.l'électrolyte.

Lors de la manipulation d'un accumulateur, il faut veiller à ne pas court-circuiter ses bornes. Sa résistance interne est très faible et permet donc un très grand courant de court-circuit nuisible à la durée de vie de l'accumulateur et de l'objet ayant servit à créer le court-circuit...

 

 

 

Accumulateurs alcalins :

 

Il existe plusieurs types d'accumulateur alcalins . Par exemple : fer-nickel, cadmium-nickel...

Ces accumulateurs ont pour défaut de s'autodécharger. Leur nombre de charges est limité ( env. 200 à 500)

Dans le cas d'accumulateurs aux formats de piles (cadmium-nickel) la tension maximale est à peine de 1,3 [V]. Ce qui les rend inutilisables pour certains appareils à piles salines ou alcalines. Leur capacité est d'environs 900 [C] (250 [mAh]).

 

accumulateur chargé

accumulateur déchargé

pôle positif + pôle négatif - pôle positif + pôle négatif -
cadmium - nickel

hydroxyde de nickel

Ni(OH)3

cadmium

Cd

hydroxyde de nickel

Ni(OH)2

hydroxyde de cadmium

Cd(OH)3

fer - nickel

hydroxyde de nickel

Ni(OH)3

fer

Fe

hydroxyde de nickel

Ni(OH)2

hydroxyde de fer

Fe(OH)2

 

 

 

 

Sources diverses:

 
Piézo-électricité Électrostatique Thermocouple Solaire - Photovoltaïque
fonctionnement :

La pression mécanique sur un quartz provoque l'apparition d'une tension  à ses bords.

fonctionnement :

Par friction, un corps peut "prendre" des électrons à un second. Il a donc une différence de potentiel.

(quelques kV-> 102 kV)

fonctionnement :

On produit une tension lorsqu'on chauffe au point de soudure deux métaux différents

(quelques mV)

fonctionnement :

Lorsque des photons atteignent la matière semi conductrice, une tension apparaît.

environs (20V)

utilisation :

microphones, briquets

utilisation :

tube cathodique (TV)

foudre

utilisation :

mesure de température

convertisseur AC->DC (appareil de mesure)

utilisation :

panneaux solaires

(projet solaire-éolienne)



 

L'alternateur :

 

 

Pour produire de l'énergie électrique alternative, on emploie des alternateurs.

 

La construction de l'alternateur est identique à celle du moteur synchrone.

 

Le principe est de faire tourner le rotor de cette machine (souvent entraîné par des turbines ou des moteurs diesel). Le rotor doit produire un flux magnétique constant. Il est produit soit avec un aimant permanent, soit le rotor est bobiné et alimenté en tension continue, donc parcouru par un courant continu (souvent fourni par une dynamo placée en bout d'arbre) pour produire un flux magnétique fixe par rapport au rotor. Toutefois comme le rotor tourne, le flux tourne à la même vitesse.

 

Ce flux magnétique induit des tensions dans les enroulements statoriques. Ces tensions sont de formes sinusoïdales. Pour les machines triphasées, les enroulements et donc les tensions sont décalées de 120 degrés.

 

La fréquence est déterminée par la relation suivante :

f = n * p [s-1]

f : fréquence en [[Hz]

n: vitesse de rotation du rotor en [1/s] (tours/seconde)

p: nombre de paire de pôle

 Alternmono.gif (2678 octets)

Ci contre un exemple d'un alternateur monophasé.

la partie centrale (G) représente les enroulements statoriques qui sont le siège des tensions induites alternative.

 

La cellule redresseur ( en pont Greatz) sert à alimenter en courant continu l'enroulement du rotor. Ici le rotor (produit l'excitation magnétique) est placé en parallèle, il s'agit donc d'une excitation en dérivation.

 

L'alimentation du rotor se fait par deux bagues.

 

Le principal inconvénient de ce type de machine est qu'à la mise en fonction, il est indispensable d'avoir une aimantation rémanente du rotor, sinon il faut un dispositif auxiliaire d'amorçage.

 

Le second inconvénient est qu'une chute de tension de l'alternateur implique une diminution du courant d'excitation et donc une nouvelle diminution de la tension induite... Pour palier à ce genre de phénomène, le constructeur peut placer quelques spires de l'inducteur "en série" avec l'induit . Le courant qui a provoqué une chute de tension est d'une valeur supérieur à la valeur nominale ce qui permettra d'augmenter le flux inducteur et d'éviter la réaction en chaîne décrite plus haut.


 

 

dsdem.gif (1088 octets)