TYPES DE BATTERIES, CARACTÉRISTIQUES ET RÉACTIONS - CHIMIE - 2024

Sur le marché, vous pouvez obtenir différents types de batteries avec leurs propres caractéristiques. Les batteries, qui ne sont rien de plus que des cellules voltaïques, offrent aux consommateurs l'avantage d'emporter l'électricité partout avec eux (tant que les conditions ne sont pas drastiques).

Les batteries peuvent généralement être achetées isolées; mais, ils sont également réalisés couplés les uns aux autres en série ou en parallèle, dont l'ensemble devient ce qu'ils appellent des batteries. Et c'est ainsi que parfois les termes «batteries» et «batteries» sont utilisés sans discernement, même lorsqu'ils ne sont pas les mêmes.

Piles alcalines: l'un des types de piles les plus populaires. Source: Pexels.

Les piles peuvent être disponibles dans d'innombrables couleurs, formes et tailles, tout comme elles peuvent être fabriquées à partir d'autres matériaux. De même, et plus important encore, sa structure interne, où se déroulent les réactions chimiques génératrices d'électricité, sert à les différencier les unes des autres.

Par exemple, l'image ci-dessus montre trois piles alcalines, l'une des plus courantes. Le terme alcalin fait référence au fait que le milieu dans lequel la libération et le flux d'électrons se produisent est basique; c'est-à-dire qu'il a un pH supérieur à 7 et les anions OH ^- et autres charges négatives prédominent.

Classement général

Avant d'aborder certains des différents types de batteries, il est nécessaire de savoir que celles-ci sont globalement classées comme primaires ou secondaires.

Primaire

Les batteries primaires sont celles qui, une fois consommées, doivent être jetées ou recyclées, car la réaction chimique sur laquelle repose le courant électrique est irréversible. Par conséquent, ils ne peuvent pas être rechargés.

Ils sont principalement utilisés dans des applications où il n'est pas pratique de recharger l'énergie électrique; comme dans les appareils militaires, au milieu du champ de bataille. De même, ils sont conçus pour des équipements qui consomment peu d'énergie, de sorte qu'ils durent plus longtemps; par exemple, des télécommandes ou des consoles portables (telles que Gameboy, Tetris et Tamagotchi).

Les piles alcalines, pour citer un autre exemple, appartiennent également au type primaire. Ils ont généralement des formes cylindriques, bien que cela n'implique pas que les piles cylindriques ne peuvent pas être secondaires ou rechargeables.

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Contrairement aux batteries primaires, les batteries secondaires peuvent être rechargées une fois qu'elles sont épuisées.

En effet, les réactions chimiques qui se produisent en leur sein sont réversibles et, par conséquent, après application d'une certaine tension, les espèces de produits redeviennent réactives, recommençant ainsi la réaction.

Certaines cellules secondaires (appelées batteries) sont généralement petites, comme les principales; cependant, ils sont destinés aux appareils qui consomment plus d'énergie et pour lesquels l'utilisation de batteries primaires serait peu pratique économiquement et énergétiquement. Par exemple, les batteries de téléphones portables contiennent des cellules secondaires.

De plus, les cellules secondaires sont conçues pour de gros équipements ou circuits; par exemple, les batteries de voiture, qui sont constituées de plusieurs batteries ou cellules voltaïques.

Ils sont généralement plus chers que les piles et batteries primaires, mais pour une utilisation à long terme, ils finissent par être une option plus appropriée et efficace.

Autres aspects

Les piles sont classées comme primaires ou secondaires; mais commercialement ou populairement, ils sont généralement classés en fonction de leur forme (cylindrique, rectangulaire, de type bouton), de l'appareil prévu (appareils photo, véhicules, calculatrices), de leurs noms (AA, AAA, C, D, N, A23, etc.) et leurs codes CEI et ANSI.

Aussi, des caractéristiques telles que leur tension (1,2 à 12 volts), ainsi que leur durée de vie utile et leurs prix, sont responsables de leur donner une certaine classification aux yeux du consommateur.

Liste des types de batteries

-Carbon-zinc

Les batteries au carbone-zinc (également appelées cellules Leclanché ou batteries salines) sont l'une des plus primitives et sont actuellement considérées comme presque inutilisées par rapport aux autres batteries; surtout, par rapport aux piles alcalines, qui bien qu'elles soient un peu plus chères, ont une durée de vie et des tensions plus longues.

Comme son nom l'indique, ses électrodes sont constituées d'une boîte en zinc et d'une tige en graphite, correspondant respectivement à l'anode et à la cathode.

Dans la première électrode, l'anode, les électrons proviennent de l'oxydation du zinc métallique. Ces électrons passent ensuite par un circuit externe qui alimente l'appareil en énergie électrique, puis ils aboutissent à la cathode en graphite, où le cycle s'achève en réduisant le dioxyde de manganèse dans lequel il est immergé.

Réactions

Les équations chimiques des réactions qui se produisent aux électrodes sont:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Anode)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (Cathode)

Ces piles sont très similaires aux piles alcalines: les deux sont cylindriques (comme celle de l'image). Cependant, les batteries au carbone-zinc peuvent être distinguées en lisant en détail les caractéristiques étiquetées à l'extérieur, ou si leur code CEI est précédé de la lettre R. Leur tension est de 1,5 V.

-Alcalin

Les piles alcalines sont très similaires au type carbone-zinc, à la différence que le milieu où se trouvent les électrodes contient des anions OH ^-. Ledit milieu est constitué d'électrolytes forts d'hydroxyde de potassium, KOH, qui apporte l'OH ^- qui participent et "collaborent" à la migration des électrons.

Il est disponible en différentes tailles et tensions, bien que le plus courant soit 1,5V. Ce sont peut-être les batteries les plus connues du marché (Duracell, par exemple).

Les réactions qui se produisent au niveau de vos électrodes sont:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (Anode)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (Cathode)

À mesure que la température augmente, plus les réactions se produisent rapidement et plus les batteries se déchargent rapidement. Fait intéressant, des rumeurs populaires se sont répandues pour les mettre au congélateur pour augmenter leur durée de vie; Cependant, lorsqu'il est refroidi, son contenu peut subir une éventuelle solidification pouvant entraîner des défauts ou des risques ultérieurs.

Mercure

Probable batterie au mercure, qui peut être confondue avec la batterie à l'oxyde d'argent. Source: Multicherry.

Les piles au mercure sont très caractéristiques en raison de leur forme particulière de boutons argentés (image ci-dessus). Presque tout le monde les reconnaîtrait au premier coup d'œil. Ils sont également alcalins, mais leur cathode incorpore, en plus du graphite et du dioxyde de manganèse, de l'oxyde de mercure, HgO; qui, après avoir été réduit, se transforme en mercure métallique:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (s) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (s) + 2OH ^-

Notez comment les anions OH ^- sont consommés et régénérés dans ces réactions cellulaires.

Étant de petites piles, il est destiné aux petits appareils, tels que les montres, les calculatrices, les commandes de jouets, etc. Quiconque a utilisé l'un de ces objets aura réalisé qu'il n'est pas nécessaire de changer les piles pendant presque une "éternité"; ce qui équivaudrait à 10 ans environ.

Oxyde d'argent

Piles à l'oxyde d'argent. Source: Lukas A, CZE.

Le principal défaut des piles au mercure est que lorsqu'elles sont jetées, elles représentent un grave problème pour l'environnement, en raison des caractéristiques toxiques de ce métal. C'est peut-être pourquoi il manque les codes CEI et ANSI. Pour les batteries à l'oxyde d'argent, leur code CEI est précédé de la lettre S.

L'un des substituts aux piles au mercure correspond à la pile à l'oxyde d'argent, beaucoup plus chère, mais avec moins d'impact écologique (image du haut). Ils contenaient à l'origine du mercure pour protéger le zinc de la corrosion alcaline.

Il est disponible avec une tension de 1,5V, et ses applications sont très similaires à celles de la batterie au mercure. En fait, à première vue, les deux batteries semblent identiques; bien qu'il puisse y avoir des piles d'oxyde d'argent beaucoup plus grandes.

Les réactions au niveau de ses électrodes sont:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2Ag (s) + H ₂ O (l)

L'eau subit ensuite une électrolyse, se décomposant en ions H ⁺ et OH ^-.

Notez qu'au lieu du mercure, de l'argent métallique se forme sur la cathode.

-Nickel-cadmium (NiCad)

Batterie NiCd. Source: LordOider.

A partir de là, les cellules ou batteries secondaires sont prises en compte. Comme les piles au mercure, les piles au nickel-cadmium sont nocives pour l'environnement (pour la faune et la santé) à cause du cadmium métallique.

Ils se caractérisent par la génération de courants électriques élevés et peuvent être rechargés un grand nombre de fois. En fait, ils peuvent être rechargés au total 2000 fois, ce qui équivaut à une durabilité extraordinaire.

Ses électrodes sont constituées d'hydroxyde d'oxyde de nickel, NiO (OH), pour la cathode, et de cadmium métallique pour l'anode. La justification chimique, en substance, reste la même: le cadmium (au lieu du zinc) perd des électrons et le cadmium NiO (OH) les gagne.

Les réactions demi-cellule sont:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (s) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq)

Les anions OH ^-, encore une fois, proviennent de l'électrolyte KOH. Les batteries NiCad finissent donc par générer des hydroxydes métalliques de nickel et de cadmium.

Ils sont utilisés individuellement ou couplés dans des emballages (comme celui en jaune, image ci-dessus). Ils viennent donc en gros ou petits emballages. Les plus petits trouvent une utilisation dans les jouets; mais les gros sont utilisés pour les avions et les véhicules électriques.

-Hydrure de nickel-métal (Ni-HM)

Batteries Ni-HM. Source: Ramesh NG de Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Une autre cellule ou batterie bien connue, qui dépasse NiCad en capacités énergétiques, est Ni-HM (nickel et hydrure métallique). Il peut se présenter sous forme cylindrique (batteries classiques, image ci-dessus), ou couplé dans une batterie.

Chimiquement, elle présente à peu près les mêmes caractéristiques que les batteries NiCad, la principale différence étant son électrode négative: la cathode n'est pas du cadmium, mais un alliage intermétallique de terres rares et de métaux de transition.

Cet alliage est responsable de l'absorption de l'hydrogène formé lors de la charge, générant un hydrure métallique complexe (d'où la lettre H dans son nom).

Bien que les batteries Ni-HM fournissent plus d'énergie (environ 40% de plus), elles sont plus chères, s'usent plus rapidement et ne peuvent pas être rechargées le même nombre de fois que les batteries NiCad; c'est-à-dire qu'ils ont une durée de vie utile plus courte. Cependant, ils n'ont pas l'effet mémoire (perte de performance des batteries en raison de ne pas être complètement déchargées).

C'est pour cette raison qu'ils ne doivent pas être utilisés dans des machines qui fonctionnent à long terme; bien que ce problème ait été atténué avec les batteries LSD-NiHM. De même, les cellules ou batteries Ni-HM ont des caractéristiques thermiques très stables, pouvant fonctionner dans une large gamme de températures sans présenter de risque.

Réactions

Les réactions qui se produisent au niveau de vos électrodes sont:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (l) + M (s) + e ^- ⇌ OH ^- (aq) + MH (s)

-Ion-lithium

Batterie lithium-ion pour ordinateur portable. Source: Kristoferb sur Wikipedia.

Dans les piles et batteries au lithium, elles sont basées sur la migration des ions Li ⁺, qui sont transférés de l'anode à la cathode, un produit de répulsions électrostatiques dues à l'augmentation de la charge positive.

Certains peuvent être rechargés, comme les batteries d'ordinateurs portables (image du haut), et d'autres, les batteries cylindriques et rectangulaires (LiSO ₂, LiSOCl ₂ ou LiMnO ₂) ne le peuvent pas.

Les batteries lithium-ion se caractérisent par leur légèreté et leur énergie, ce qui leur permet d'être utilisées dans de nombreux appareils électroniques, tels que les smartphones et les équipements médicaux. De même, ils ne souffrent guère de l'effet mémoire, leur densité de charge dépasse celle des piles et batteries NiCad et Ni-HM, et ils mettent plus de temps à se décharger.

Cependant, ils sont très sensibles aux températures élevées, voire explosent; et de plus, elles ont tendance à être plus chères que les autres batteries. Pourtant, les batteries au lithium sont perçues favorablement sur le marché et de nombreux consommateurs les considèrent comme les meilleures.

-Plomb acide

Batterie au plomb typique pour automobiles. Source: Tntflash

Et enfin, les bactéries plomb-acide, comme son nom l'indique, ne contiennent pas d'ions OH ^- mais H ⁺; spécifiquement, une solution concentrée d'acide sulfurique. Les cellules voltaïques se trouvent à l'intérieur de leurs boîtiers (image du haut), où trois ou six d'entre elles peuvent être couplées en série, donnant respectivement une batterie de 6 ou 12 V.

Il est capable de générer de grandes quantités de charges électriques, et du fait qu'ils sont très lourds, ils sont destinés à des applications ou des appareils qui ne peuvent pas être transportés manuellement; par exemple, les voitures, les panneaux solaires et les sous-marins. Cette batterie acide est la plus ancienne et existe toujours dans l'industrie automobile.

Ses électrodes sont en plomb: PbO ₂ pour la cathode et plomb métallique spongieux pour l'anode. Les réactions qui s'y produisent sont:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

Références

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