Stocker l’énergie à l’aide d’un système électrochimique

I. La pile

1) Le principe d’une pile

a) Généralités

Schéma d’une pile

D’une manière générale, une pile est constituée de deux métaux plongés dans une solution contenant l’ion correspondant et reliés par un pont salin.

On schématise une pile de la façon suivante :

b) Mesure

Pile cuivre-zinc

Soit une pile constituée d’une lame de cuivre et d’une lame de zinc.

En branchant un voltmètre en position « continu » sur les lames de métal, on constate que l’anode est la lame de zinc et la cathode la lame de cuivre. On mesure une tension de 0,74 V.

La schématisation de cette pile est donc : Zn/Zn²⁺ ⎢⎢Cu²⁺/Cu.

2) La réaction d’oxydoréduction

Les couples oxydant-réducteur qui interviennent sont : Zn²⁺/Zn et Cu²⁺/Cu.

À la cathode (borne positive), les ions Cu²⁺ de la solution captent les électrons et du cuivre se dépose sur la lame : Cu²⁺ + 2 e^– = Cu. Cette réaction est la réduction.

À l’anode (borne négative), les électrons sont cédés par le zinc, la lame est consumée : Zn = Zn²⁺ + 2 e^–. Cette réaction est l’oxydation.

L’équation bilan s’écrit : Cu²⁺ + Zn → Cu + Zn²⁺.

Au fil du temps, la lame de cuivre s’épaissit, tandis que la lame de zinc s’affine.

II. L'accumulateur

1) Le principe

Contrairement à la pile, qui transforme de l’énergie chimique en énergie électrique de manière irréversible, l’accumulateur peut effectuer la transformation dans les deux sens :

Énergie chimique ⇄ Énergie électrique.

Un accumulateur peut donc se recharger. En effet, il est possible de régénérer les réactifs consommés lors de la réaction d’oxydoréduction.

Info

Le premier accumulateur a été inventé par le physicien Gaston Planté en 1859.

2) La décharge et la décharge

Soit un accumulateur plomb-acide. Lorsque le circuit est fermé, il y a circulation d’un courant. Les électrons migrent de la borne négative (électrode en plomb) vers la borne positive (électrode en dioxyde de plomb). L’accumulateur se décharge.

Pour charger un accumulateur, il faut le brancher à un générateur de tension continue. La réaction chimique est alors exactement l’inverse de celle qui a lieu pendant la décharge, ce qui provoque la régénération des réactifs :

2PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + 2SO₄^2– + 4H⁺ + Pb.

III. Le stockage de l'énergie

Il est nécessaire de transformer l’énergie électrique sous forme électrochimique pour la stocker dans des accumulateurs.

Les caractéristiques d’une « batterie » (assemblage d’éléments identiques) sont :

• la tension, ou différence de potentiel (ddp), aux bornes de la batterie, en volt (V) ;
• la capacité, notée Q, qui est la quantité de charges électriques que la batterie peut stocker. Elle se calcule avec la formule :

Q = I × t, avec I l’intensité du courant de charge et t le temps de charge.

Si t est en seconde, Q est en coulomb (C) et si t est en heure, Q est en ampère-heure (Ah), sachant que 1 Ah = 3 600 C ;

la densité énergétique, qui est la quantité d’énergie stockée par unité de masse (Wh/kg) ou de volume (Wh/L).