PILES BOUTON - Piles au zinc

PILES BOUTON Zn/Ag₂O

• Masse cathodique: Ag₂O + graphite (moins de 10%) pour assurer une conductivité électronique.

• Lors de la décharge: Ag se forme et la conductivité devient très bonne.

• Matière active anodique: poudre de zinc, amalgamé ou

non, de haute surface spécifique et gélifiée par des agents comme la CMC (carboxyméthylcellulose) ou d’autres

liants de type polymère.

• Milieu électrolytique : une solution concentrée de potasse ou de soude.

• Les ions OH- formés à la cathode sont transportés vers l’anode lors de cette décharge.

• Séparateur: matériaux polymères (Ex: dérivés cellulosiques),

PILES BOUTON Zn/Ag₂O Réactions globales de décharge

Ag

Globalement à l’anode:

O

PILES BOUTON Zn/Ag₂O Réactions globales de décharge

A la cathode:

Réaction globale de décharge:

−

Consommation d’eau à la cathode pour former des ions OH -Consommation des ions OH^- à l’anode pour former à

nouveau l’eau consommée à la cathode

PILES BOUTON Zn/Ag₂O

En pratique,

Energie massique : 100 Wh/kg Energie volumique: 395 Wh/dm³

Masse volumique moyenne: 3,95 g/cm³

Très bonne stabilité de la tension en circuit ouvert, en fonction de la durée de stockage et de la température.

Autodécharge assez faible

Entre +20°C et 45°C, la perte de capacité en stockage est d’1% environ par mois pendant 24 mois

PILES BOUTON Zn/Ag₂O

Applications et formats Régimes de décharge élevés.

Les applications actuelles : petites lampes de poche, désignateurs lasers de poche, cellule d’appareils

photographiques, calculatrices, montres, instrumentation Applications militaires spécifiques : la propulsion des

torpilles électriques, l’alimentation des intensificateurs de lumière, les bouées actives, les systèmes de secours, les systèmes de surveillance, certains capteurs de sécurité, etc.

PILES BOUTON Zn/HgO

Autre oxydant que le dioxyde de manganèse (miniaturisation).

• Stabilité de la tension et très faible autodécharge (le stockage dans les conditions tropicales est possible)

• Plus vendues maintenant car Hg ainsi que ses composés sont très toxiques

• La matière active cathodique (pôle positif) : mélange d’oxyde de mercure très peu conducteur et de graphite compacté pour former l’électrode

• Le milieu électrolytique : gel alcalin de potasse ou de soude

• La matière active anodique (pôle négatif) : zinc amalgamé ou de poudre de zinc

PILES BOUTON Zn/HgO Réactions globales de décharge.

A l’anode: ₊ ₋

Globalement à l’anode:

Hg

PILES BOUTON Zn/HgO Réactions globales de décharge.

A la cathode:

Consommation d’eau à la cathode pour former des ions OH -Consommation des ions OH^- à l’anode pour former à

nouveau l’eau consommée à la cathode

−

→ +

+

+ H O e Hg OH

HgO

₂

2 2

PILES BOUTON Zn/HgO

En pratique,

Energie massique : 90 Wh/kg Energie volumique: 355 Wh/dm³

Masse volumique moyenne: 3,95 g/cm³

Très bonne stabilité de la tension en circuit ouvert, en fonction de la durée de stockage et de la température Autodécharge assez faible

PILES BOUTON Zn/HgO

Applications et formats

Conditions d’utilisation ou de stockage tropicales Energie volumique élevée.

• Les applications actuelles : aides auditives, cellules

d’appareil photo, calculatrices, montres, détecteurs de fumée, parfois des piles étalons, instrumentation,

détonateur, etc

• Les applications militaires: bouées actives, les systèmes de secours, les systèmes de surveillance, certains

capteurs de sécurité, etc

• Formats bouton et cylindriques type R6, R20 et R50

PILES BOUTON Zn/Air

•

Composé réactif cathodique (O₂) = air environnant (libération de la place et de la masse)

• Possibilité d’une grande quantité de composé anodique

(aboutir à des énergies massiques élevées) pour des régimes de décharge faibles (ex : décharge en un temps supérieur à 10h)

• Cathode non consommable adaptée à la réduction de O₂ (Surface d’autant plus grande que l’on cherchera à débiter des courants importants).

• Densités d’énergie très élevées = 150 à 350 Wh/kg (avant décharge).

• Décharge de ces piles = fixation de l’O₂ de l’air et stockage des produits de réaction qui alourdissent la pile de façon

significative lors de cette décharge (prévoir l’augmentation de volume des matières actives).

PILES BOUTON Zn/Air

Capacités: quelques mA.h (bouton) à plus d’un millier A.h (prismatique)

La matière active cathodique (pôle positif) : l’oxygène de l’air environnant (sans stockage): ouverture pour l’accès de O₂ à l’électrode afin de permettre sa réduction

Le milieu électrolytique : solution alcaline de potasse

concentrée et pas consommée par la réaction de décharge de la pile

La matière active anodique (pôle négatif) est composée de zinc sous forme soit métallique, soit de poudre de zinc

gélifiée

PILES BOUTON Zn/Air

• La masse cathodique = une structure poreuse de carbone (contenant éventuellement un catalyseur de réduction de O₂) + un polymère hydrophobe

• Interface dite à « triple contact » = réaction de réduction de l’O₂ au contact de la structure poreuse conductrice électronique (apport d’électrons) et

évacuation des espèces ioniques formées vers l’électrolyte.

• Arrivée en O₂ en quantité suffisante et rapidement pour des régimes de décharge élevés .

• Le rôle du composé hydrophobe: assurer la stabilité des films d’électrolyte aqueux formés dans le milieu poreux carboné ; ces films sont responsables du bon fonctionnement de l’électrode à air.

PILES BOUTON Zn/Air Structure à grande surface développée

La stabilité de ces films d’épaisseur micrométrique

PILES BOUTON Zn/Air

• La matière active anodique = poudre de zinc, amalgamé ou non, de haute surface spécifique et gélifiée.

• Le milieu électrolytique = solution concentrée KOH ou NaOH (30 à 45% en masse)

• Flux de OH^- formés à la cathode vers l’anode lors de la décharge

• Accès de l’air environnant à l’intérieur de la pile, risque de formation de carbonate de potassium qui dégrade les

propriétés et le fonctionnement de la pile = dispositif de décarbonatation

• Dans le cas de piles utilisées à régime élevé (décharge en un temps court), la carbonatation de l’électrolyte n’a pas le temps d’avoir lieu

• Opercule de protection avant utilisation

• Le séparateur est identique aux précédents

PILES BOUTON Zn/Air Réactions globales de décharge.

A l’anode:

Globalement à l’anode:

ZnO

PILES BOUTON Zn/Air Réactions globales de décharge.

A la cathode:

Consommation d’eau à la cathode pour former des ions OH

-Consommation des ions OH^- à l’anode pour former à nouveau l’eau consommée à la cathode

−

→

+

+ H O e OH

O

₂

2

₂

4 4

PILES BOUTON Zn/Air

En pratique,

Energie massique : 230 Wh/kg Energie volumique: 400 Wh/dm³

Masse volumique moyenne: 1,74 g/cm³

PILES BOUTON Zn/Air

Applications et formats

Longues durées de décharge (régimes plutôt faibles) et coûts d’usage les plus bas

Les applications actuelles : signalisation des chemins de fer et les clôtures électriques pour le bétail, l’alimentation des aides auditives, des petits systèmes électroniques portables comme les calculatrices et les montres

Formats bouton et prismatiques

PILES BOUTON

Pile Réaction cathodique

Zn – Ag₂O Ag₂O + H₂O + 2e^- → 2 Ag + 2 OH⁻

Zn - HgO HgO + H₂O + 2e^- → Hg + 2 OH⁻ Zn - O₂ ½ O₂ + H₂O + 2e- → 2 OH⁻

Réaction anodique commune: Zn + 4 OH^- → Zn(OH)₄^2- + 2 e

-PILES BOUTON

(Wh) Energie volumique

Piles boutons de 11,6 mm de ,

de 5,4 mm de hauteur (0,57 cm³ en volume)

Dans le document Piles au zinc (Page 25-53)