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Stratification de l'électrolyte & Surcharge

Stratification


L'électrolyte, constitué d'acide sulfurique diluée dans l'eau, est un paramètre déterminant vis-à-vis de la durée de vie des électrodes (en par suite de la batterie).



Electrolyte optimale


Rappelons que le rôle de l'acide sulfurique principale est de fournir des ions H3O++ entrant dans les réactions chimiques relatives à la décharge. Il convient également que l'électrolyte présente une bonne conductivité ionique. Ceci permet d'améliorer l'efficacité de la charge en diminuant la résistance interne de la batterie.

Or, nous savons que la densité de l’électrolyte joue un rôle important sur la conductivité ionique. Le graphe ci-dessous indique la conductivité de l’électrolyte en fonction de la densité d’acide sulfurique :

Influence de la densité de l'électrolyte sur sa conductivité
Influence de la densité de l'électrolyte sur sa conductivité


On remarquera que, pour une densité de l'électrolyte comprise entre 1.12 et 1.38, la conductivité est maximale. Ces densités correspondent à une concentration massique d'acide sulfurique de l'ordre 30%.

Typiquement, lorsque la batterie est complètement chargée (état de charge de 100%), la densité de l'électrolyte doit être proche de 1.38. Puis, au cours de la décharge, la densité de l'électrolyte diminue jusqu'à une valeur minimale de 1.12 (pour un état de charge de 0%). On veillera donc, lorsque les batteries sont fournies sans électrolyte, à respecter ces valeurs lors du remplissage.


Au fur et à mesure des cycles, la distribution de l'électrolyte devient de moins en moins uniforme. Les ions étant plus lourd que l'eau, ils tendent à s'accumuler dans le fond du bas créant ainsi une stratification de la densité d'acide. Les conséquences sont une diminution de la conductivité dans les zones à faible densité d'acide, et une très forte accélération du phénomène de corrosion des grilles pour les zones à densité d'acide supérieur à 1.38. En conséquence, on assiste à une affaiblissement de la capacité de la batterie, et à un vieillissement précoce.

Un moyen pour lutter contre la stratification de l’électrolyte est l’application d’une légère surcharge.

Surcharge des batteries


La surcharge est un état de charge de la batterie pour lequel les éléments réactifs ne sont plus présent en quantité suffisante (l'état de charge est de 100%).

Lorsque la charge de la batterie est terminée, la concentration des ions Pb2+ au sein de l'électrolyte devient insuffisante. Ainsi, le générateur électrique ne contribue plus à charger la batterie (de toute façon, celle-ci est complètement chargée) mais à forcer la seule réaction susceptible de se produire, à savoir l’électrolyse de l’eau avec un dégagement gazeux de dihydrogène et de dioxygène important et dangereux.

Electrolyse de l'eau


L'électrolyse de l'eau est une réaction secondaire qui se produit lors de la charge d'une batterie. Lors du processus de charge, elle n'est pas prépondérante par rapport à la réaction primaire (voir le paragraphe sur le principe électrochimique de la charge), cependant elle le devient lorsque la batterie a atteint 100% de son état de charge.

En fin de charge, l'électrolyte est dépourvu des ions Pb2+. Par conséquent, sous la tension imposée par le générateur, la réaction qui se produit est l'électrolyse de l'eau :
  • Oxydation à l'anode : 3 H2O + ½ O2 → 2 H3O+ + 2 e-
  • Réduction à a cathode : 2 H3O+ + 2e- → H2 + 2 H2O
On obtient la réaction d'électrolyse de l'eau : H2O → ½ O2 + H2

La réaction d'électrolyse de l'eau se traduit donc par la production de dioxygène (O2) et de dihydrogène (H2) sous forme gazeuse.


La surcharge est une étape importante du processus de charge car elle permet de brasser l'électrolyte. En effet, le dégagement gazeux issu de l'électrolyse de l'eau permet de remuer l'électrolyte et de l'homogénéiser, assurant une destratification.

Lors du processus de charge gérée par le régulateur (Voir le chapitre sur les régulateurs), en fin de charge, la tension de charge aux bornes de la batterie est légèrement surélevée (de l'ordre de 2.3 V par éléments) afin d'accélérer l'électrolyse de l'eau et brasser l'électrolyte.



En dégageant du dihydrogène gazeux et du dioxygène gazeux, la réaction d’électrolyse de l’eau permet de brasser l’électrolyte et d’éviter le phénomène de stratification de l’acide sulfurique
En dégageant du dihydrogène gazeux et du dioxygène gazeux, la réaction d’électrolyse de l’eau permet de brasser l’électrolyte et d’éviter le phénomène de stratification de l’acide sulfurique. Ce phénomène est volontairement amplifié mais contrôler par le régulateur en fin de charge


Illustration du dégagement gazeux lors du processus de surcharge permettant une homogénéisation de l'acide sulfurique au sein de l'électrolyte
Illustration du dégagement gazeux lors du processus de surcharge permettant une homogénéisation de l'acide sulfurique au sein de l'électrolyte


L'évacuation des gaz (dioxygène et dihydrogène) s'effectue par des orifices situés en partie supérieure de l'élément de la batterie
L'évacuation des gaz (dioxygène et dihydrogène) s'effectue par des orifices situés en partie supérieure de l'élément de la batterie


Conséquences


Le brassage de l'électrolyte par dégagement gazeux permet l'homogénéisation de l'acide sulfurique mais présente néanmoins deux inconvénients majeurs :
  • Le dihydrogène est un gaz explosif au contact de l’oxygène. Dans le cas des batteries ouvertes, il convient que le coffret des batteries soit bien ventilé par la présence notamment d’ouvertures. Il est à noter que le dihydrogène est dangereux dans l’air lorsque sa teneur est supérieure à 3%.
  • La réaction d’électrolyse consomme l’eau de l’électrolyte ce qui a pour conséquence de diminuer le niveau de celle-ci mais également d’augmenter la concentration de l’acide sulfurique (risque accru de corrosion des électrodes). Il convient en ce sens de réaliser périodiquement des remises à niveaux du volume d'eau de l'électrolyte.