Jeudi
5 Novembre 2020
Les batteries au plomb sont-elles condamnées à plus ou moins brève échéance face aux batteries à l’ion lithium ? Peut-être pas car, selon une publication récente de deux chercheurs* dans la revue Science, ces batteries ont des avantages et peuvent-être améliorées.
La batterie au plomb et à l’acide sulfurique a été inventée au 19ème siècle par un français Gaston Planté. Il n’imaginait surement pas l’importance que prendrait par la suite ce moyen de stockage de l’électricité ni l’importance de sa valeur financière. Les batteries au plomb représentent actuellement encore 70% du marché de stockage de l’énergie avec une production totale de 600 gigawatts heures en 2018. Elles sont utilisées dans les systèmes fournisseurs d’énergie en continu, dans les réseaux électriques, dans les moteurs automobiles y compris les moteurs hybrides et ceux qui fonctionnent aux batteries à ion lithium où elles fonctionnent en tant que fournisseurs indépendants d’électricité au démarrage, à l’allumage des bougies, à l’éclairage du véhicule. Elles fonctionnent aussi dans des conditions extrêmes de froid et sont utiles comme générateurs de secours en cas de panne du secteur électrique.
Une batterie au plomb est schématiquement constituée d’une électrode grille négative en plomb remplie d’une pâte de plomb et d’une électrode grille positive en plomb remplie d’une pâte d’oxyde de plomb (les électrodes grilles peuvent être aussi constituées d’un alliage de plomb cadmium ou de plomb antimoine). Les deux électrodes sont plongées dans de l’acide sulfurique plus ou moins hydraté et séparées par un panneau perméable aux électrolytes. Lors de la décharge de la batterie, le plomb de l’anode cède deux électrons (créant ainsi le courant électrique dans le circuit branché sur la batterie), les ions plomb (Pb 2+) ainsi formés se combinent avec les ions sulfate (SO4 2-) de l’acide sulfurique pour donner du sulfate de plomb insoluble (SO4Pb) qui s’accumule sur les deux électrodes grille. Quand on charge la batterie le sulfate de plomb se dissocie et le plomb se régénère grâce aux électrons apportés par le courant électrique de charge ; cependant comme le sulfate de plomb est très insoluble, la régénération se fait lentement. Au cours de la charge de la batterie se produit aussi une réaction d’électrolyse de l’eau catalysée par les impuretés métalliques présentes dans le plomb. Cette réaction donne de l’oxygène et de l’hydrogène avec perte d’eau, il faut donc rajouter de l’eau à la batterie.
Le changement répété : dépôt et dissolution du SO4H2, qui se produit au cours de la charge et de la décharge de la batterie, entraîne une corrosion des électrodes grilles et l’arrêt du fonctionnement de la batterie.
Le problème majeur à résoudre pour ces batteries est la lenteur avec laquelle se fait leur régénération car le courant de charge doit dissocier le sulfate de plomb peu soluble. L’énergie électrique nécessaire à cette opération est de ce fait dissipée en partie en énergie calorifique ; de plus l’apparition du phénomène indésirable d’électrolyse de l’eau utilise aussi, en cours de charge, une partie de l’électricité fournie. La corrosion des électrodes est un autre problème car il limite la durée de vie de ces batteries. Une amélioration devrait être apportée à ces problèmes en œuvrant sur les électrodes grilles : modification de leur composition chimique et de leur structure.
Selon
les auteurs de l’article les batteries au plomb ne sont pas obsolètes ; trop
lourdes et ayant une densité énergétique faible elles seront concurrencées sur
les véhicules électriques par les batteries à l’ion lithium, leur avenir est dans
le stockage de l’électricité des réseaux électriques où le prix de revient est
important alors que le poids ne pose plus de problèmes. Ces batteries sont peu
coûteuses à fabriquer, le matériel de base est abondant et bon marché. La
critique que l’on peut faire concernant la toxicité du plomb sur la santé et
l’environnement est déjà moins recevable dans la mesure où ces batteries sont
recyclables à 99% ; pour aller au-delà de cette limite, il suffirait
d’appliquer strictement les règles légales qui concernent les manipulations de
ce métal et de renforcer les contrôles opératoires de la fabrication des
batteries.
* Pietro P. Lopes et Vojislav R. Stamenkovic, Science, 21 août 2020, N°6506, pp.923-924
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