Physique-chimie et mathématiques (STI2D · STL) · Terminale · Physique-chimie — Énergie
Piles, accumulateurs et piles à combustible
Stocker du chimique, rendre de l’électrique.
En bref
Vélo à assistance, téléphone, voiture électrique, bus à hydrogène : tous emportent leur énergie sous forme chimique et la convertissent en énergie électrique au moment de s’en servir.
Pile ou accumulateur ?
| Le générateur | Ce qu’il fait | Exemple |
|---|---|---|
| Pile | Conversion chimique → électrique, dans un seul sens : une fois les réactifs épuisés, elle est usée | Pile alcaline, pile bouton |
| Accumulateur | Conversion réversible : en charge il reçoit de l’énergie électrique, en décharge il la rend | Batterie lithium-ion, batterie au plomb |
| Pile à combustible | Les réactifs (dihydrogène, dioxygène) sont apportés en continu | Véhicule à hydrogène |
Une batterie est un assemblage d’accumulateurs (ou d’éléments). En série, les tensions s’additionnent ; en dérivation, les capacités s’additionnent.
Les caractéristiques à lire sur une fiche technique
| La caractéristique | Unité | Sens |
|---|---|---|
| Tension à vide (nominale) | V | Tension entre les bornes, sans courant débité |
| Capacité Q | Ah (ou mAh) | Quantité d’électricité stockée ; 1 Ah = 3 600 C |
| Énergie stockée | Wh | E = U × Q |
| Énergie massique | Wh/kg | Énergie par kilogramme : décisive pour un véhicule |
| Énergie volumique | Wh/L | Énergie par litre : décisive pour un téléphone |
| Nombre de cycles | — | Charges-décharges avant usure notable |
E = U × Q (Wh si U en V et Q en Ah)
| La technologie | Tension d’un élément | Énergie massique (ordre de grandeur) |
|---|---|---|
| Plomb | 2 V | 30 à 40 Wh/kg |
| Nickel-métal hydrure | 1,2 V | 60 à 110 Wh/kg |
| Lithium-ion | 3,6 à 3,7 V | 150 à 250 Wh/kg |
Exemple travaillé : un vélo à assistance électrique
Batterie 48 V, 13 Ah ; moteur de 250 W.
- Charge stockée : Q = 13 × 3 600 = 46 800 C.
- Énergie : E = 48 × 13 = 624 Wh.
- Autonomie à pleine puissance : 624 / 250 ≈ 2,5 h.
Ce qui se passe dedans : l’oxydoréduction
En décharge, la borne négative est l’anode : le réducteur y est oxydé et libère des électrons, qui traversent le circuit extérieur jusqu’à la cathode (borne positive), où l’oxydant est réduit. On identifie donc l’oxydant et le réducteur par la polarité.
Batterie au plomb, en décharge :
Pb + PbO2 + 2 H2SO4 → 2 PbSO4 + 2 H2O
En charge, un générateur extérieur force la réaction inverse : les réactifs se reforment. C’est ce qui rend l’accumulateur réversible.
La pile à combustible
Dihydrogène + dioxygènePile à combustibleÉnergie électrique + chaleur + eau
- À l’anode : H2 → 2 H⁺ + 2 e⁻
- À la cathode : O2 + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H2O
- Bilan : 2 H2 + O2 → 2 H2O. Elle ne rejette que de l’eau ; son bilan carbone dépend de la façon dont on a produit le dihydrogène.
Bilan de matière
Une mole d’électrons porte une charge d’environ 96 500 C.
n(e⁻) = Q / 96 500
Exemple : une pile à combustible débite 10 A pendant 1 h. Q = 36 000 C, n(e⁻) ≈ 0,373 mol. Chaque H2 cède 2 électrons : n(H2) ≈ 0,187 mol, soit m = 0,187 × 2,0 ≈ 0,37 g de dihydrogène.
Un convertisseur est réversible s’il peut fonctionner dans les deux sens (accumulateur, machine électrique moteur-génératrice) ; un radiateur ou une lampe ne le sont pas.
Teste-toi
6 questions pour vérifier
Touche une réponse : la correction s’affiche tout de suite.
1.Quelle différence y a-t-il entre une pile et un accumulateur ?
2.Combien de coulombs représente une capacité de 13 Ah ?
3.Quelle énergie stocke une batterie de 48 V et 13 Ah ?
4.Quelle autonomie donne 624 Wh à un moteur de 250 W ?
5.Pendant la décharge, où a lieu l’oxydation ?
6.Quelle technologie offre la plus grande énergie massique ?
0 / 6 questions
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La fiche de révision, sur une page
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