L'électricité pour le transport

Un article de OCP.

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Par Gaston Bonnecaze et Clovis Darrigan.

Sommaire

1 Piles et accumulateurs

1.1 Introduction

Les transports de marchandises et de personnes nécessitent beaucoup d'énergie. Les moteurs fournissant le principal de cette énergie sont de nature électrique (locomotives) ou thermique (moteurs à pistons pour les véhicules terrestres, turbines ou réacteurs pour les avions et les hélicoptères).

Tous ces moteurs de grande puissance nécessitent des petits moteurs annexes pour les démarrages, moteurs dont l'énergie provient souvent de générateurs électrochimiques. Ces générateurs servent aussi pour l'éclairage ou le confort (vitres électriques, radio-CD, GPS, etc.).

Il existe par ailleurs des véhicules automobiles entièrement électriques et récemment sont apparus des véhicules hybrides dont l'énergie est fournie par des hydrocarbures mais comportant aussi un moteur électrique pour les manœuvres à basse vitesse. Ces deux types de véhicules nécessitent la présence de générateurs électrochimiques importants.

Ceux-ci transforment l'énergie chimique en énergie électrique, soit de manière irréversible (piles) soit de manière réversible (accumulateurs).

(1) Energie chimique → Energie électrique
(2) Energie électrique → Energie chimique

Dans le sens (1) on récupère de l'énergie électrique au détriment de l'énergie chimique. Dans le sens (2) on fournit de l'énergie électrique pour augmenter la réserve d'énergie chimique de l'accumulateur.

La notion de "pile rechargeable" est très ambiguë : une pile rechargeable est en réalité un accumulateur.

Les fonctionnements des piles et accumulateurs font appel tous les deux à des réactions chimiques d'oxydoréduction du type :

a A + b B = c C + d D

mais l'échange d'électron entre A et B se fait indirectement via des électrodes : on parle alors de réactions électrochimiques.

1.2 Réactions électrochimiques

Pour comprendre le fonctionnement d'un générateur, il faut décomposer la réaction en faisant apparaître les deux couples rédox concernés :

a Ox1 + n1 e = a' Red1  : E01
b Red2 + n2 e = b' Ox2  : E02

La réaction globale devient, en égalisant le nombre d'électrons mis en jeu :

n2a Ox1 + n1b Red2 = n2a' Red1 + n1b' Ox2

Remarquons que les réactifs annexes (H3O+ ou OH par exemple) peuvent intervenir dans ces réactions.

La force électromotrice (fem) se calcule à partir des potentiels rédox des couples 1 et 2 donnés par la relation de Nernst :

Image:Nernst.gif
La relation de Nernst
La relation de Nernst

Le terme E0, appelé potentiel rédox standard, correspond à une valeur nulle du logarithme (donc à une valeur 1 de son argument) et rend compte du pouvoir oxydant ou réducteur d'un couple rédox. Plus E0 est grand, plus l'oxydant du couple est fort et son réducteur est faible. Le classement se fait par rapport au couple H+/H2 pour lequel on convient E0 = 0.

Potentiels standard d'électrodes à 25°C (potentiels rédox normaux)
Potentiels standard d'électrodes à 25°C (potentiels rédox normaux)

La valeur de la fem (notée U) est donnée par U = E+–E, où E+ et E sont respectivement les potentiels rédox le plus élevé et le plus faible.

Le terme Image:N-2.gif étant généralement faible, on peut en première approche évaluer la valeur de la fem par U0 = E0+–E0–, où E0+ et E0– sont les potentiels rédox standards des couples rédox le plus oxydant et le plus réducteur, respectivement.

Remarques :

  1. À l'extérieur du générateur, le sens conventionnel du courant est du pôle + vers le pôle –. En réalité le courant est transporté par des électrons qui vont du pôle – vers le pôle +.
  2. À l'intérieur du générateur, le sens positif du courant est du pôle – vers le pôle + pour respecter la continuité obligatoire du courant dans le système. Le courant est transporté par des ions ; on parle de conduction ionique :
    • Ions + (cations) : du pôle – au pôle + (K+ par exemple)
    • Ions – (anions) : du pôle + au pôle – (NO3 par exemple)

La conduction ionique dans le générateur doit être aussi élevée que possible afin de limiter les chutes de potentiels dans l'électrolyte et aux électrodes (solutions acides ou basiques concentrées et devant donc être manipulées avec beaucoup d'attention). A contratio, la conduction électronique (par les électrons) doit être aussi faible que possible car elle entraînerait un courant de fuite déchargeant rapidement le générateur.

  1. L'électrode est le siège du changement obligatoire du type de conducteur via la réaction rédox mettant en jeu simultanément les électrons, l'oxydant et le réducteur d'un couple.
  2. À l'électrode positive (cathode) s'effectue la réduction :
Cu2+ + 2e = Cu (par exemple)
À l'électrode négative (anode) a lieu l'oxydation :
Zn = Zn2+ + 2e (par exemple)
  1. Le modèle présenté ici est très succinct. En particulier, il ne tient pas compte de composés annexes tel que les ions H3O+ ou OH ou de réactions annexes (complexation et précipitation).

Nous allons appliquer ces connaissances à l'étude de générateurs tout en nous replongeant dans l'histoire de la chimie.

1.3 La pile Volta

Alessandro Volta
Alessandro Volta

1.3.1 Étude préliminaire

Expérience à réaliser :

  • Prendre une lame de cuivre et une autre de zinc, bien décapées.
  • Les piquer parallèlement et à un centimètre de distance dans un citron (ou un autre agrume, ou une pomme de terre).
  • Brancher un voltmètre sur ces deux lames.
  • Que constatez-vous ?
  • Quelle est la valeur de U mesurée ?
  • Quels sont les pôles ⊕ et ⊖ de la pile ainsi formée ?
  • Expliquer la formation d'une pile par les réactions rédox puis écrire la réaction globale formée.
  • Comment expliquer le passage du courant dans la pulpe du fruit ?

1.3.2 La pile

Le générateur de Volta présenté solennellement à l'Empereur Napoléon en 1804 a une importance historique considérable car c'est lui qui a permis l'avènement de l'électricité et le début de l'étude du domaine correspondant.

Voici un extrait d'une lettre de Volta, où il décrit la constitution de sa pile :

"Je me fournis de quelques douzaines de petites plaques rondes ou disques de cuivre, ou mieux d'argent, et d'un nombre égal de plaques d'étain, ou, ce qui est beaucoup mieux, de zinc, de la même grandeur à peu près. Je prépare, en outre, un nombre assez grand de rondelles de carton, de peau ou de quelque autre matière spongieuse, capable d'imbiber et de retenir beaucoup d'eau ou de l'humeur dont il faudra, pour le succès des expériences, qu'elles soient bien trempées. Ces disques mouillés, je les fais un peu plus petits que les disques ou plateaux métalliques.
Ayant sous ma main toutes ces pièces en bon état, c'est-à-dire les disques bien propres et secs, et les autres non métalliques bien imbibés d'eau simple, ou, ce qui est beaucoup mieux, d'eau salée, je n'ai plus qu'à les arranger comme il convient.
Je pose horizontalement un des plateaux métalliques, par exemple un d'argent, et sur ce premier j'en adapte un de zinc ; sur ce second je couche un des disques mouillés, puis un autre plateau d'argent, suivi d'un autre de zinc auquel je fais succéder encore un disque mouillé. Je continue ainsi de la même façon et toujours dans le même sens.
Si la colonne parvient à contenir environ vingt de ces étages ou couples de métaux, elle sera déjà capable, non seulement de charger un condensateur au point de lui faire donner une étincelle, mais aussi de frapper les doigts avec lesquels on vient toucher ses deux extrêmités."
(D'après Physique et physiciens, R. Massain, Magnard.)
  • Quel rôle jouent les "disques mouillés" dans la pile de Volta ?
  • Que représente l'"humeur" ?
  • Justifier la phrase : "bien imbibés d'eau simple, ou, ce qui est beaucoup mieux, d'eau salée".
  • Faire un schéma d'un "étage" de la pile de Volta. Comment sont-ils associés ?
  • Quel fait expérimental cité dans le texte montre que le dispositif cède de l'énergie électrique ?
  • On donne ci-dessous les force électromotrice U de différentes piles :
PilesÉtain-cuivreZinc-cuivreÉtain-argentZinc-argent
U / V0,481,100,941,60
    • Utiliser ces données pour justifier les deux premières phrases du texte.
    • Si on réalisait la même association que Volta avec piles zinc-argent, quelle serait la valeur U du générateur ainsi constitué ?
  • Faire le schéma d'une pile zinc-argent (couples Zn2+/Zn et Ag+/Ag).
  • Lorsque l'on branche un voltmètre avec sa borne "COM" du côté de l'électrode en zinc, il s'affiche une valeur positive.
    • Quelle est la valeur de la tension mesurée ?
    • Déterminer la polarité des électrodes.
    • Sur l'électrode d'argent se produit-il une réduction ou une oxydation ? Écrire l'équation. Est-ce la cathode ou l'anode ?
    • En déduire la réaction à l'électrode de zinc puis l'équation de la transformation globale de la pile.

Notez que le mot "pile" est apparu tout naturellement dans le dispositif de Volta en raison de l'empilement des éléments.

Expérience à réaliser :

  • Reproduire le montage de la pile de Volta à l'aide des plaques de cuivre, zinc et buvard imbibés d'eau salée mis à votre disposition.
  • Mesurer la valeur de U. Celle-ci est-elle en accord avec la mesure précédente (citron) ?
  • Dans quel état doivent être les plaques de cuivre pour que le générateur puisse débiter du courant ?

1.4 Accumulateur au plomb

L'accumulateur au plomb a été découvert par hasard en 1859 par Gaston Planté alors qu'il essayait de réaliser l'électrolyse de l'eau acidulée.

En essayant le plomb dans sa recherche de matières plus économiques que le platine, il remarqua que son appareil rendait de l'électricité lorsqu'on coupait l'alimentation, comme si l'oxygène et l'hydrogène pouvaient rendre l'électricité qui les avait produits.

  • Il cru avoir inventé la pile à combustible, mais comprit vite que ce n'était pas l'oxygène et l'hydrogène gazeux qui rendaient le courant, mais la modification chimique (oxydation) de la surface du plomb.
  • Son appareil se composait de deux lames de plomb maintenues écartées par des bandes isolantes. Pour augmenter la surface des électrodes, Planté enroula concentriquement deux bandes de plomb séparées par deux intercalaires de caoutchouc pour éviter tout contact entre elles, le tout contenu dans un bocal de verre rempli d'eau acidulée.
  • Pour obtenir une capacité de décharge importante, Planté constata qu'il était nécessaire de faire subir aux électrodes une série de cycle charge/décharge qui constituait ce qu'il appela "la formation".

Le fonctionnement de la batterie ne disperse pas de plomb.

Le plomb est un polluant, en revanche le recyclage des batteries est facile. Le transport et le recyclage des batteries est de plus en plus sévèrement réglementé, ce qui augmente les frais, diminue la rentabilité du recyclage ; par conséquent la quantité de batteries recyclées a tendance à diminuer, le prix du kilogramme de batteries devient inférieur au prix du kilogramme de ferraille.

La durée de vie ainsi que les performances d'une batterie au plomb dépendent fortement de l'utilisation que l'on en fait. Ainsi, on a vu des batteries rendre l'âme après seulement 50 cycles alors que d'autres du même type ont tenu plus de 500 cycles. Cette forte dispersion est en partie due au fait que ces batteries sont influencées par le type de cycle charge/décharge qu'on leur impose ; elles supportent très mal les décharges profondes et nécessitent un système embarque de contrôle très poussé afin de fournir les meilleures performances possibles.

Expérience à réaliser :

  • Prélever 40 mL d'acide "spécial batterie" à 3,6 mol/L (dangereux !) et les verser dans un bécher de 100 mL.
  • Mettre un séparateur.
  • Placer les 2 électrodes de plomb et les relier au voltmètre.
  • Mesurer la tension : _____ V
  • Imposer une tension de 4 V pendant 10 min.
  • Mesurer la tension résiduelle : _____ V
  • Brancher une diode électroluminescent (LED) en série avec une résistance de _____ Ω. Qu'observe-t-on ?
  • Après 15 min de décharge qu'observe-t-on ?
  • Interpréter au moyen de ce document :

1.5 Accumulateur alcalin : Ni/Cd

Il fonctionne avec des électrodes de cadmium et de nickel et l'électrolyte est la potasse (hydroxyde de potassium, KOH) à 3 mol/L (Manipuler avec beaucoup d'attention !). On peut le schématiser ainsi :

⊖ Cd / Cd(OH)2 / KOH(aq) / NiOOH / Ni(OH)2 / Ni ⊕

Au pôle + a lieu la réaction :

NiOOH + e ⇄ Ni(OH)2 + OH

Au pôle – a lieu la réaction :

Cd + 2OH ⇄ Cd(OH)2 + 2e

Un élément d'accumulateur Ni/Cd présente une force électromotrice voisine de 1,3 V.

Expérience à réaliser :

  • Prélever 40 mL de KOH à 3 mol/L (dangereux !) et les verser dans un bécher de 100 mL.
  • Mettre un séparateur.
  • Placer l'électrodes de Cd à gauche et de Ni à droite et les relier au voltmètre.
  • Mesurer la tension : _____ V
  • Imposer une tension de 4 V pendant 10 min.
  • Mesurer la tension résiduelle : _____ V
  • Brancher une diode électroluminescente (LED) en série avec une résistance de _____ Ω. Qu'observe-t-on ?
  • Brancher une résistance de _____ Ω en court circuit et suivre la tension en fonction du temps pendant 15 min. A-t-on réussi à créer un accumulateur ?

1.6 Pile à combustible : méthanol/H2O2

La première pile historique est celle à hydrogène décrite dans le document suivant :

  • Pourquoi peut-on qualifier la pile à combustible de "pile inusable" ?
  • Résumer en quelques mots le principe de fonctionnement.
  • Quels sont les deux principaux avantages d'une pile à combustible utilisant le dihydrogène ?
  • Quels seraient les avantages d'une voiture électrique fonctionnant avec de telles piles ?
  • Dans quel(s) autre(s) domaine(s) pourraient être utilisés ces piles à l'avenir ?
  • Le dihydrogène peut-il s'extraire facilement et à bas prix de la nature ?
  • Quels moyens permettent d'obtenir du dihydrogène en grande quantité ?

En réalité, cette pile étant très délicate à manipuler, on préfère étudier ici la pile méthanol/H2O2.

Expérience à réaliser :

  • Prélever 25 mL de KOH à 3 mol/L (dangereux !) et les verser dans le bécher n°1 de 50 mL.
  • Renouveler l'opération dans le bécher n°2 de 50 mL également.
  • Placer les 2 électrodes de platine (très fragiles !) dans les 2 béchers et les relier au voltmètre.
  • Mettre en place le pont salin au KNO3 saturé entre les deux béchers.
  • Mesurer la tension : _____ V.
  • Verser 10 mL de solution de H2O2 à 10 volumes dans le bécher n°2 et 10 mL de méthanol (toxique et inflammable !) dans le bécher n°1.
  • Mesurer la tension et la comparer au potentiel que l'on peut calculer à l'aide des E0. Expliquer la différence.

2 Lévitation avec un supraconducteur

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