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Principe électrochimique de la décharge d'une batterie acide-plomb

La décharge d'une batterie repose sur la théorie des réactions d'oxydoréduction.



Réaction d'oxydoréduction


Une réaction d'oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un transfert d'électron. Elle fait intervenir 2 couples d'éléments chimiques, appelés communément couples oxydo-réducteurs.

Principe des réactions d'oxydoréduction
Principe des réactions d'oxydoréduction


La réaction d’oxydoréduction se décompose en deux réactions :

=> Une réaction d’oxydation; le réducteur s’oxyde selon l’équation suivante : Red1 → Ox1 + électrons

=> Une réaction de réduction; l’oxydant se réduit selon l’équation suivante : Ox2 + électrons → Red2

La réaction d’oxydoréduction est alors le bilan de ces deux équations : Ox2 + Red1 → Ox1 + Red2

Chaque couple oxydant-réducteur est caractérisé par un potentiel électrique, mesuré expérimentalement dans des conditions dites standard. Les couples ayant un potentiel électrique élevé impliquent des oxydants forts. Les couples ayant un potentiel électrique très bas impliquent des réducteurs forts. La réaction d’oxydoréduction se produit toujours entre un oxydant fort et un réducteur faible. Les réactions d’oxydoréduction sont des réactions totales, plus ou moins rapides.

Dans une réaction d’oxydoréduction, il y a ni création ni perte d’électron, mais plutôt transfert d’électrons qui permettent d’enclencher les deux demi-réactions.


Dans une batterie acide-plomb, les couples oxydants-réducteurs mis en jeu sont les couples PbO2/Pb2+ et Pb2+/Pb, dont les potentiels sont indiqués ci-dessous (par rapport à la référence H+/H2) :

Oxydoréduction dans une batterie acide-plomb Ainsi, l’oxydant le plus fort est l’oxyde de plomb (PbO2). Celui-ci va se réduire en l’ion Pb2+ selon la demi-équation de réduction suivante : PbO2 + 4 H3++ + 2 e- → Pb2+ + 6 H2O (1)

De même, le réducteur le plus fort est le plomb (Pb). Celui-ci va s’oxyder en l’ion Pb2+ selon la demi-équation d’oxydation suivante : Pb → Pb2+ + 2 e- (2)

On obtient la réaction d’oxydoréduction suivante : PbO2 + 4 H3++ + Pb + 2 e- → Pb2+ + 6 H2O + Pb2+ + 2 e-

Certains éléments s’annulent de part et d’autres de l’équation, et on obtient finalement : PbO2 + 4 H3++ + Pb → 2 Pb2+ + 6 H2O

Nous constatons que la réaction d’oxydation (2) libère un électron. Cet électron peut être utilisé par l’oxyde de plomb (PbO2) afin d’enclencher la réaction de réduction (1). Pour cela, on réalise une connexion électrique entre l’anode et la cathode permettant la circulation des électrons. Ce processus est illustré sur le schéma ci-dessous :

Principe électrochimique de la décharge d'une batterie acide-plomb
Principe électrochimique de la décharge d'une batterie acide-plomb


L’anode en plomb perd donc petit à petit sa masse. Egalement la masse d’oxyde de plomb (PbO2) diminue :

Principe électrochimique de la décharge d'une batterie acide-plomb
Principe électrochimique de la décharge d'une batterie acide-plomb


Pourquoi la cathode est-elle constituée également de plomb ?


Les électrodes des batteries (qui se présentent sous la forme de grille), doivent présenter une bonne tenue à la corrosion en milieu acide sulfurique et une bonne conductivité électrique. Le plomb est l'un des seuls matériaux à disposer de ces propriétés (en plus de la tenue mécanique). En effet, l’oxyde de plomb présente une conductivité électrique de Ω-1.cm-1. Quant au plomb, sa conductivité est presque 200 fois supérieure : 48 000 Ω-1.cm-1.

De ce fait, la cathode est en plomb avec une couche superficielle en oxyde de plomb. C'est bien l'oxyde de plomb qui participe aux réactions chimiques.

Les fabricants ainsi que les organisme de recherche travaillent plutôt sur des cathodes en alliages de plomb (plomb-antimoine, plomb-étain, plomb-calcium-étain, etc).