Batterie de voiture au plomb : réactions chimiques

Principe de fonctionnement

Les batteries au plomb équipent les voitures et fournissent le courant nécessaire au démarrage du moteur. Ce sont des accumulateurs qui comportent 2 électrodes de plomb dont l’une est recouverte d’oxyde de plomb PbO2. Elles sont composées de plusieurs compartiment pour obtenir la puissance nécessaire. Les électrodes baignent dans de l’acide concentré. La présence de plomb et d’acide sulfurique rend le dispositif très lourd
Les couples rédox mis en en jeux dans la pile sont : Pb2+/Pb et PbO2/Pb2+
A l’anode (pole -)
Pb2+ + 2e ↔ Pb avec E° = -0,126 V
A la cathode (pole +)
PbO2 + 4H+ + 2 e↔ Pb2+ 2H2O avec E° = 1,455 V

La réaction naturelle entre ces 2 couples est :
PbO2 + 4H+ + Pb → 2 Pb2+ + 2H2O
La force électromotrice théorique de la pile est E  = 1,455-(1-0,126) = 1.581 V
Les ions H+ sont amenés par l’acide sulfurique H2SO4 et entraîne une précipitation des ions PbSO4 ( pKs = 7.8), ce qui permet d’augmenter la tension de la batterie ( environ 2.1 V).

Rechargement de la batterie au plomb

Batterie à plat
Test de la batterie

Pour recharger la batterie, on effectue une électrolyse qui permet de régénérer les composants (PbO2 et Pb). Pour cela on impose une différence de potentiel (d.d.p.) aux bornes de l’accumulateur supérieure à la force électromotrice de la pile.
La réaction est la réaction inverse à celle vu précédemment à laquelle se superpose l’oxydoréduction de l’eau H2O ↔ H2 + ½ O2 avec une d.d.p. de 1.23V
En théorie, on devrait observer uniquement la dissociation de l’eau mais l’électrolyse de l’eau est fortement atténué grâce aux surtensions se produisant aux électrodes de plomb.

En détail:

A la cathode :
2H+ + 2e → H2
Pb2+ + 2e → Pb
A l’anode :
H2O → ½ O2 + 2H+ + 2e
Pb2+ + 2H2O → PbO2 + 4H+ + 2 e

Pour l’électrolyse de l’eau la d.d.p. minimale à appliquer est : E= E°(O2/H2O) – E°(H+/H2) = 1.23 – 0 = 1.23 V
Les surtensions aux électrodes de plomb ont pour effet d’élargir le domaine de stabilité de l’eau.

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