Fiche de révision : Stockage électrochimique de l’énergie

📋 Plan du Cours

1. Réactions d’oxydoréduction
2. Constitution et fonctionnement d’une pile
3. Pile Daniell zinc cuivre
4. Accumulateur et cycle de charge
5. Capacité et énergie stockée
6. Mesure de tension et batteries
7. Évolution et choix des accumulateurs

📖 1. Réactions d’oxydoréduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Réaction d’oxydoréduction : Un échange d’électrons entre espèces chimiques.

★ À maîtriser

📌 L’oxydation correspond à une perte d’électrons, tandis que la réduction correspond à un gain d’électrons.

Compléments

• Dans le couple Cu²⁺/Cu, l’ion cuivre Cu²⁺ capte deux électrons pour former le cuivre métallique : Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu.

• Dans le couple Al³⁺/Al, l’ion aluminium Al³⁺ capte trois électrons pour former l’aluminium métallique : Al³⁺ + 3 e⁻ → Al.

💡 Astuce mémo

L’oxydation cède des électrons ; la réduction les capte.

📖 2. Constitution et fonctionnement d’une pile

🔑 Notions clés & Définitions

• Pile : Un générateur électrochimique qui produit une tension électrique continue à partir de réactions chimiques.

★ À maîtriser

• Une pile comprend deux électrodes constituées de métaux différents et plongées dans une solution ionique conductrice.

Compléments

• Le pont salin est une solution ionique qui permet aux ions de circuler entre les compartiments de la pile.

📌 Dans une pile, la réaction d’oxydoréduction est spontanée et produit du courant, tandis qu’une réaction imposée par une source de courant continu consomme du courant.

💡 Astuce mémo

Deux lames plongées dans leurs solutions, reliées par un pont salin où circulent les ions.

📖 3. Pile Daniell zinc cuivre

★ À maîtriser

• Dans la pile Daniell, le zinc s’oxyde en ions Zn²⁺ en cédant deux électrons, tandis que les ions Cu²⁺ captent ces électrons et se déposent sous forme de cuivre métallique.

📐 Formule - L’équation-bilan de la pile Daniell est $\mathrm{Cu^{2+} + Zn \rightarrow Cu + Zn^{2+}}$.

Compléments

• La pile Daniell, fondée sur les couples Zn²⁺/Zn et Cu²⁺/Cu, date de 1836.

• La tension mesurée entre les lames de zinc et de cuivre de la pile Daniell réalisée est de 1,07 V.

• Dans l’expérience de la pile Daniell, la lame de zinc se ronge et du cuivre se dépose sur la lame de cuivre.

💡 Astuce mémo

Le zinc cède des électrons → les ions cuivre se déposent en cuivre métallique.

📖 4. Accumulateur et cycle de charge

🔑 Notions clés & Définitions

• Accumulateur : Un accumulateur est constitué de deux électrodes conductrices plongées dans une solution et fonctionne par cycles de charge et de décharge.

★ À maîtriser

📌 Lors de la charge, l’accumulateur fonctionne comme un électrolyseur et transforme l’énergie électrique en énergie chimique ; lors de la décharge, il fonctionne comme une pile et transforme l’énergie chimique en énergie électrique.

Compléments

• La charge d’un accumulateur s’effectue avec un courant électrique continu.

• L’électrolyse est le terme associé à la charge lorsqu’une réaction d’oxydoréduction est imposée.

• L’accumulateur au plomb, inventé par Planté en 1859, équipe notamment les batteries de voiture.

📌 Pour manipuler la solution d’acide chlorhydrique utilisée dans l’expérience d’accumulateur, il faut porter des lunettes, des gants et une blouse.

💡 Astuce mémo

Charge : électrique vers chimique ; décharge : chimique vers électrique.

📖 5. Capacité et énergie stockée

🔑 Notions clés & Définitions

• Capacité électrique : La capacité électrique Q d’un accumulateur représente la quantité d’électricité qu’il peut conserver dans le temps.

★ À maîtriser

📐 Formule - La capacité électrique vérifie $Q = I \times t$, avec Q en Ah, I en A et t en h.

📐 Formule - L’énergie stockée par un accumulateur vérifie $E = Q \times U$, avec E en Wh, Q en Ah et U en V.

Compléments

📐 Formule - La puissance électrique vérifie $P = U \times I$, avec P en W, U en V et I en A.

📐 Formule - L’énergie électrique vérifie aussi $E = P \times t$.

• Un accumulateur de capacité 64 Ah et de tension 12 V stocke 768 Wh d’énergie.

📖 6. Mesure de tension et batteries

★ À maîtriser

• La tension aux bornes d’une pile ou d’une batterie se mesure avec un multimètre réglé en voltmètre.

• Une batterie de voiture chargée doit présenter une tension de 12,6 V.

Compléments

• Deux lames de plomb identiques plongées dans la solution acide donnent initialement une tension d’environ 0 V avant charge.

• Après cinq minutes de charge sous 12 V continu dans l’expérience décrite, la tension mesurée entre les lames de plomb est de 0,030 V.

📖 7. Évolution et choix des accumulateurs

★ À maîtriser

• La densité énergétique des piles présentées augmente de moins de 1 Wh/kg pour Volta en 1800 à 460 Wh/kg pour la pile au lithium en 1977.

Compléments

• Les valeurs indiquées sont de 13 Wh/kg pour la pile Daniell (1836), 70 Wh/kg pour la pile saline Leclanché (1870) et 120 Wh/kg pour la pile alcaline (1950).

• Une batterie au plomb de 36 V et 12 Ah stocke 432 Wh, tandis qu’une batterie au lithium de 36 V et 11 Ah stocke 396 Wh.

• Avec des densités énergétiques de 40 Wh/kg pour le plomb et de 200 Wh/kg pour le lithium, les masses calculées sont respectivement de 10,8 kg et 1,98 kg pour les batteries comparées.

📌 Dans l’exemple de batteries de VAE, la batterie au lithium est beaucoup plus légère que celle au plomb, mais son prix est de 449 € contre 54,90 € pour la batterie au plomb.

• Une pile usagée ne doit pas être jetée avec les ordures ménagères, car elle contient des produits toxiques et peut présenter un risque d’explosion si elle est écrasée.

📊 Tableaux de synthèse

Transformations selon le mode de fonctionnement