expérimentale Activité Comment fonctionne une batterie de voiture ? T

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expérimentale ^Activité Comment fonctionne une batterie de voiture ? T

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

Pour commencer : étude d’une batterie lithium-ion

Après avoir étudié le document sur les batteries des véhicules électriques, répondre aux questions ci-dessous :

Quel est la différence entre une pile et un accumulateur ?

Quels sont les éléments essentiels constitutifs d’un accumulateur ? Quelle est la f.e.m. de l’accumulateur présenté ?

Quelle est la différence entre une batterie et une cellule d’accumulateur ?

Citer différents moyens de recharger une batterie électrique d’un véhicule électrique.

Rechercher des avantages et inconvénients des batteries Li-ion.

Etude expérimentale d’une cellule d’accumulateur au plomb

Réaliser une cellule d'accumulateur au plomb en trempant deux électrodes de plomb, préalablement décapées à la toile émeri, dans bécher contenant une solution d'acide sulfurique à 1 mol/L.

ATTENTION : cette solution est très corrosive ! Noter qu’il n’existe pas de tension entre les 2 plaques.

Réaliser ensuite le circuit ci-dessous en branchant la cellule d’accumulateur sur un générateur en série avec un ampèremètre et un rhéostat (résistance variable) permettant d’ajuster l’intensité du courant.

1^er cycle avant utilisation (charge et décharge initiales pour « former » l’accumulateur)

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 et régler l’intensité du courant à 150 mA en ajustant le curseur du rhéostat. (K en 1).

- Au bout de 15 min environ arrêter le générateur.

- Noter qu’il existe alors une tension aux bornes des 2 plaques de plomb.

Décharge :

- Eteindre le générateur et brancher à la place une résistance de 47 Ω. (K en 2).

- 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).

http://lefevre.pc.free.fr R = 47 Ω

Ic = 150 mA

Etude quantitative de la charge de l’accumulateur

Réaliser une charge (K en 1) à courant constant (Ic = 150 mA) pendant ∆tC = 120 s (mesuré à l’aide d’un chronomètre) puis ouvrir le circuit.

Relever la tension aux bornes de l’accumulateur à la fin de la charge.

Quelle est la couleur des électrodes ? Préciser la nature des dépôts.

Etude quantitative de la décharge de l’accumulateur

Chronométrer le temps ∆tD de décharge (K en 2) dans la résistance R = 47 Ω.

Relever la valeur stable du courant de décharge ID.

Relever la tension aux bornes de l’accumulateur au cours de la décharge.

Etude théorique d’une cellule d’accumulateur au plomb Données :

- Les couples impliqués dans cette expérience sont : PbO2(s)/Pb²⁺(aq) ; Pb²⁺(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.

- 1 A.h = 3 600 C.

Etude quantitative de la charge de l’accumulateur

Compléter en rouge sur le schéma le sens de circulation des électrons lors de la charge (K en 1).

Écrire les équations observées aux électrodes lors de LA CHARGE.

Remarque : Les ions Pb²⁺ en fait ne sont pas libres mais liés dans le sulfate de plomb. Ceci ne changera rien pour l’écriture des équations où l’on écrira Pb²⁺ au lieu de PbSO4.

Préciser la réponse précédente en indiquant s’il s’agit d’une oxydation ou réduction.

Indiquer alors l’anode et cathode en rouge sur le schéma.

On peut observer des réactions parasites lors de la charge, qui, en plus des réactions identifiées précédemment, libèrent d’autres corps. Comment peut-on voir qu’il y a bien des réactions parasites au niveau des électrodes ? A votre avis, quels sont les deux corps formés au cours de ces réactions ? Comment pourrait-on les mettre en évidence ?

Etude quantitative de la décharge de l’accumulateur Indiquer les sens de circulation des électrons en bleu.

Écrire les réactions aux électrodes à LA DECHARGE.

Préciser la réponse précédente en indiquant s’il s’agit d’une oxydation ou réduction.

Montrer que l'accumulateur devient un générateur à la décharge et en déduire les pôles de l’accumulateur.

Quantités d'électricité et bilan de la charge

Calculer les quantités d'électricité qui ont traversé l'accumulateur à la charge QC et à la décharge QD. Calculer le rendement en quantité d'électricité de l'opération de charge-décharge : η_Q = QD/QC. Calculer la capacité de cet accumulateur en A.h ou mA.h.

Conclusions

Rédiger avec le professeur une conclusion.

Pour les plus rapides…

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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