Fonction batterie de voiture

Comment fonctionne une batterie de voiture et comment est-elle construite ?

La fonction traditionnelle de la batterie dans le compartiment moteur est bien connue : Sans la batterie, le véhicule ne peut pas être démarré. Outre le moteur de démarrage, les bougies d'allumage, les bougies de préchauffage, les feux et les applications électroniques ont tous besoin d'énergie électrique. Mais comment est construite une batterie et comment fonctionne-t-elle ?

Les batteries au plomb : Composants et structure

De nombreux conducteurs se rendent compte du poids important des batteries de voiture lorsqu'ils en achètent une nouvelle. Des poids allant de 10,5 kg à 30 kg sont possibles. La raison en est les plaques de plomb dans les éléments de la batterie.

Composants et structure d'un élément de batterie

Électrode positive:

• Plaque positive : Dans une batterie plomb-acide, la plaque chargée positivement (matière active) est constituée d'oxyde de plomb (PbO₂) qui est immergé dans un électrolyte.
• Grille positive : La grille positive est constituée d'un alliage de plomb et est utilisée pour contenir la matière active et comme collecteur de courant.

Électrode négative:

• Plaque négative : La plaque chargée négativement (matériau actif) est constituée de plomb pur (Pb), qui est également immergé dans un électrolyte.
• Plaque négative : Comme la plaque positive, elle est constituée d'un alliage de plomb et remplit la même fonction.
  

Les électrodes de charges différentes sont séparées par un sac séparateur.

L'électrolyte est un mélange d'acide sulfurique (H₂SO₄) et d'eau distillée. Cet électrolyte peut être sous forme liquide (comme dans les batteries humides conventionnelles ou dans la technologie EFB améliorée), sous forme de gel, ou lié dans un mat de verre (comme dans la technologie AGM pour les applications Start-Stop plus récentes).

Plusieurs électrodes positives forment un ensemble de plaques positives et plusieurs électrodes négatives forment un ensemble de plaques négatives. Ensemble, un jeu de plaques négatives et un jeu de plaques positives forment un bloc de plaques. Un bloc de plaques est une cellule de batterie.

Une batterie de démarrage conventionnelle se compose de 6 cellules connectées en série, chacune ayant une tension nominale de 2 V, ce qui donne une tension d'exactement 12,72 V lorsque la batterie est entièrement chargée. La capacité et la capacité de démarrage à froid de la batterie dépendent du nombre de plaques par cellule.

Règle empirique: Plus une cellule contient de plaques et forme donc une surface importante, plus la puissance de démarrage à froid (CCA) que la batterie peut délivrer est importante. Toutefois, si l'espace dans la cellule est utilisé pour des plaques moins nombreuses mais plus épaisses, la stabilité du cycle est accrue. Cela signifie que la batterie est conçue pour un débit de charge plus élevé (processus de charge et de décharge continus).

Les cellules sont contenues dans un boîtier fabriqué en plastique résistant à l'acide (polypropylène). Dans une batterie SLI classique, celle-ci est fermée par un couvercle doté d'un système de labyrinthe qui empêche le liquide de la batterie de s'échapper et sépare le liquide du gaz.

Les premières batteries étaient dotées de bouchons à vis qui permettaient de les remplir d'eau distillée. Les batteries modernes ne nécessitent aucun entretien. L'eau n'a pas besoin d'être complétée et ne doit pas l'être. Bien que les batteries AGM soient toujours dotées de bouchons à sens unique, ceux-ci ne doivent en aucun cas être ouverts.

Fonctionnement de la batterie de voiture : L'énergie chimique devient de l'énergie électrique

Une batterie de voiture stocke l'énergie sous forme chimique et la convertit en énergie électrique. Dans ce processus électrochimique, quatre matériaux réagissent entre eux :

• Hydrogène (H)
• Oxygène (O₂)
• Plomb (Pb)
• Soufre (S)

La connexion d'un consommateur externe déclenche la réaction chimique dans la batterie :

• L'électrolyte, un mélange d'acide sulfurique (H₂SO₄) et d'eau distillée se décompose en ions hydrogène chargés positivement (H⁺) et en ions sulfate chargés négativement (SO₄^2-).
• En même temps, des électrons (2e^–) se déplacent de l'électrode négative à l'électrode positive par l'intermédiaire du consommateur externe.
• Pour compenser ce flux d'électrons, des ions sulfate passent de l'électrolyte à l'électrode négative, où ils réagissent avec le plomb (Pb) pour produire du sulfate de plomb (PbSO₄).
• Le sulfate de plomb est également produit dans l'électrode positive : La liaison de l'oxygène (O₂) dans l'oxyde de plomb (PbO₂) est rompue par le transfert d'électrons et l'oxygène passe dans l'électrolyte. Le plomb restant (Pb) se lie au sulfate (SO₄) de l'électrolyte.
• Là, l'oxygène se lie à l'hydrogène pour former de l'eau (H₂O). Au fur et à mesure que l'acide sulfurique est consommé par la formation de sulfate de plomb, la concentration de la solution électrolytique diminue. Lorsque la concentration de l'acide sulfurique tombe en dessous d'un certain niveau, la batterie doit être rechargée.
• Pendant la charge, les processus chimiques se déroulent dans l'ordre inverse. A la fin, les éléments originaux peuvent être retrouvés : L'électrode positive est constituée de sulfate de plomb (PbSO₄), l'électrode négative est constituée de plomb pur (Pb) et l'électrolyte est constitué d'acide sulfurique dilué (H₂SO₄). Ce processus de conversion étant associé à des pertes, une batterie ne peut supporter qu'un nombre limité de cycles de charge. Sa durée de vie est donc limitée. 

Problèmes liés aux batteries au plomb : Sulfatation et stratification acide

Si une batterie est chargée avec une tension trop faible, ou si elle fonctionne toujours avec une tension trop faible (inférieure à 80%), une stratification acide, également appelée stratification, se produit. L'acide dans l'électrolyte se stratifie en raison d'un mauvais mélange. Les différentes densités entraînent une stratification de l'acide sulfurique dans la partie inférieure et de l'eau dans la partie supérieure de la batterie. Pour cette raison, seule la partie centrale de l'électrolyte, c'est-à-dire un tiers seulement, peut être utilisée pour le processus de décharge et de charge.

Une cause possible de la formation de couches d'acide est principalement les trajets courts avec l'utilisation simultanée d'un grand nombre de consommateurs électriques. Dans ce cas, l'alternateur n'a pas le temps de recharger la batterie.

Une conséquence de la stratification de l'acide est la sulfatation. Si cela se produit dans la batterie, ou si elle n'est pas constamment chargée à un niveau adéquat, le sulfate de plomb (PbSO₄) se cristallise sur les électrodes, pour former des structures cristallines plus importantes au fil du temps. Ce processus est connu sous le nom de "sulfatation". La cristallisation empêche la reconversion du sulfate de plomb en ses composants d'origine, le plomb ou l'oxyde de plomb, ce qui empêche l'acceptation de la charge et réduit la puissance de démarrage à froid.

Les cristaux pointus peuvent également endommager les séparateurs ou provoquer des courts-circuits dans les cellules.

Pour contrer cet effet et prévenir une défaillance prématurée de la batterie, une batterie ne devrait jamais être soumise à un faible niveau de charge pendant une longue période. Pour cela, il est conseillé de tester régulièrement la batterie et de la recharger complètement si nécessaire.

Vous souhaitez en savoir plus sur ce sujet ? Comment charger correctement une batterie.

Nouvelles technologies de batteries : AGM et lithium-ion

Jusqu'à présent, les batteries plomb-acide conventionnelles détiennent une part importante du marché. Cependant, le marché évolue rapidement: Des technologies de batterie innovantes pour les véhicules à démarrage et arrêt, telles que AGM , utilisent de l'acide lié dans un matelas pour assurer une plus grande stabilité du cycle et garantir des performances fiables dans les véhicules ayant des besoins énergétiques accrus. Un autre avantage de l'AGM : La stratification de l'acide n'est plus possible en raison de l'acide lié.
Une nouvelle génération de batteries de voiture pour les véhicules micro-hybrides fonctionne à 48V et utilise des cellules avec la technologie lithium-ion.