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Vidéo de la leçon : Cellules galvaniques secondaires Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre à décrire des cellules secondaires, et à expliquer comment elles peuvent être rechargées.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire des cellules galvaniques secondaires et à expliquer comment elles peuvent être rechargées. Vous connaissez peut-être les cellules galvaniques. Les cellules galvaniques sont un type de cellule électrochimique dans laquelle une réaction redox spontanée se produit, générant une différence de potentiel entre les électrodes de deux demi-cellules et cette différence de potentiel génère un courant à travers un fil.

Il existe deux catégories de cellules galvaniques, les cellules galvaniques primaires et les cellules galvaniques secondaires. Une cellule galvanique primaire suit de très près cette définition. L’énergie chimique est transformée en énergie électrique. La même chose se produit dans une cellule galvanique secondaire. Mais dans une cellule galvanique secondaire, le contraire peut également se produire. L’énergie électrique peut être transformée en énergie chimique. Nous pouvons définir une cellule galvanique secondaire comme le type de cellule électrochimique qui peut être utilisée à la fois comme cellule galvanique et comme cellule électrolytique. Les cellules galvaniques primaires sont des cellules à usage unique. Elles sont épuisées lorsque toute l’énergie chimique a été transformée en énergie électrique. Les cellules primaires ne peuvent pas être rechargées. Les piles galvaniques secondaires sont cependant rechargeables.

Concentrons-nous sur les cellules galvaniques secondaires. Pendant la décharge, elles se comportent comme une cellule galvanique et l’énergie chimique est transformée en énergie électrique. Le processus de décharge se produit lorsqu’une batterie alimente ou fournit du courant électrique à un périphérique externe lorsqu’elle génère des électrons par une réaction redox. Pendant la charge, également appelée recharge, une cellule secondaire se comporte comme une cellule électrolytique. L’énergie électrique est transformée en énergie chimique. La recharge se produit lorsqu’un courant externe est appliqué pour inverser la décharge et transformer l’énergie électrique en énergie chimique. Pendant la décharge, une cellule perd son stock d’énergie. Et pendant la charge, elle refait son stock d’énergie.

Voyons maintenant quelques exemples de cellules galvaniques secondaires. Un exemple courant de cellule galvanique secondaire est une batterie de voiture, également appelée batterie d’accumulateurs au plomb. Lors du démarrage d’une voiture, la batterie agit comme une cellule galvanique pour alimenter le démarreur pendant l’allumage. Elle alimente également les phares de la voiture et d’autres systèmes électriques, mais pendant la conduite, l’alternateur de la voiture recharge la batterie par une réaction électrolytique. Nous avons donc une décharge galvanique et une charge électrolytique. Un autre exemple de cellule galvanique secondaire est la batterie rechargeable au lithium-ion. Ces types de batteries sont utilisés dans les ordinateurs portables, les smartphones et dans les outils électriques sans fil tels que les perceuses sans fil.

Voyons maintenant ces deux types de batteries, en commençant par la batterie au plomb. La figure montre la construction d’une batterie d’accumulateurs au plomb. Bien que les batteries de voiture diffèrent légèrement, la plupart ont une structure similaire. L’anode et la cathode sont faites de plaques de plomb ou d’alliages de plomb. Chaque plaque est conçue comme une grille et ressemble à une gaufre. Les grilles sont remplies de matériaux spéciaux en plomb. Les plaques d’anode négative sont remplies de plomb spongieux. Le plomb spongieux est une forme de plomb métallique finement divisé et comprimé, tandis que les plaques de cathode chargées positivement sont remplies d’un oxyde de plomb, PbO2, qui est de l’oxyde de plomb (IV).

Habituellement, il y a six cellules en série, formant une batterie avec un potentiel total de la cellule ou une FEM de 12 volts, soit deux volts par cellule. Les plaques de cathode et d’anode sont immergées dans un électrolyte d’acide sulfurique dilué. Des séparateurs empêchent les plaques de se toucher. L’ensemble du système de six cellules est enfermé dans un matériau isolant comme le caoutchouc ou le plastique.

Maintenant que nous connaissons la construction d’une batterie au plomb, regardons la composition chimique qui se produit pendant la décharge et la charge. Pendant la décharge - c’est-à-dire lors du démarrage de la voiture ou lors du fonctionnement de systèmes électriques tels que les feux ou la radio - les deux demi-équations s’appliquent. À l’anode, le plomb spongieux avec un état d’oxydation nul est oxydé en un état plus deux. À la cathode, le plomb (IV) est réduit en plomb (II). Maintenant, ces demi-équations sont parfois écrites d’une façon légèrement différente, mais elles conduisent toutes à la même équation de réaction finale ou globale. Le plomb, à partir de plomb spongieux, réagit avec l’oxyde de plomb (IV) et l’acide sulfurique dilué pour produire du sulfate de plomb, qui est un solide, et de l’eau.

Le demi-potentiel de réduction à l’anode est de moins 0,36 volt et à la cathode il est de plus 1,69 volt. En utilisant ces valeurs, nous pouvons calculer le potentiel de la cellule, en utilisant 𝐸 cellule égale 𝐸 cathode moins 𝐸 anode. En substituant ces valeurs, nous obtenons une tension positive de 2,05 volts par cellule dans la batterie. Rappelez-vous, il y a six cellules. Donc, généralement, une batterie de voiture a un potentiel global de cellule d’environ 12 volts.

Nous avons vu que cette équation globale correspond à la décharge. Pendant la charge, la réaction inverse ou indirecte se produit. L’anode et la cathode échangent leurs polarités. Sur une longue période, le sulfate de plomb n’est pas entièrement transformé en réactif initial. Le fait de charger la batterie plusieurs fois au fils du temps entraine une diminution de la réversibilité de la réaction à se produire. Une partie du produit de plomb est transformée en une forme cristalline très stable. La quantité de sulfate de plomb disponible pour la réaction inverse diminue. Finalement, les batteries doivent être recyclées ou remplacées.

Maintenant que nous connaissons les batteries au plomb, examinons les batteries au lithium-ion. Nous avons mentionné plus tôt que les batteries au lithium-ion se retrouvent dans de nombreux appareils électroniques portables, comme par exemple les ordinateurs portables, les téléphones mobiles et les outils électriques sans fil. Il existe différents types de batteries au lithium-ion. La figure montre une batterie lithium-ion simplifiée. La cathode est composée d’oxyde de lithium et de cobalt. L’anode est en graphite de lithium, où les points roses de l’anode et de la cathode représentent des particules de lithium. Un séparateur en plastique entre les deux électrodes sépare les deux matériaux, mais permet aux ions de lithium de le traverser, d’où le nom de batterie lithium-ion. L’électrolyte, qui recouvre les deux électrodes, est l’hexafluorophosphate de lithium.

Une variété de métaux de transition peut être utilisée selon le type de la batterie lithium-ion. Cette batterie lithium-ion particulière utilise du cobalt. Lorsque la batterie lithium-ion est utilisée pour fournir de l’énergie électrique à un appareil, c’est-à-dire lorsqu’elle se décharge, les deux demi-réactions suivantes se produisent. À l’anode, une oxydation a lieu, qui libère des ions lithium et des électrons. L’anode est chargée négativement, et les électrons qui y entrent circulent dans le circuit externe, à travers le dispositif électrique, et dans la cathode qui est chargée positivement. En même temps, les ions de lithium libérés se déplacent à travers le séparateur en plastique vers la cathode. À la cathode, la réduction se produit.

Les électrons entrants, les ions lithium et l’oxyde de cobalt peuvent réagir pour former le produit, le dioxyde de lithium et de cobalt. La réaction globale est LiC6 solide plus CoO2 solide réagissant pour donner du C6 solide plus LiCoO2 solide. Une batterie lithium-ion typique a une FEM de trois volts, bien que la tension varie selon le type de la batterie lithium-ion. La réaction montrée ici représente une action galvanique. N’oubliez pas que l’inverse se produira lors de la charge. Voyons de plus près. J’ai effacé certaines informations à l’écran. Remplissons maintenant les informations correctes pour un processus de charge. Ce sera une action électrolytique, où la batterie agit comme une cellule électrolytique. Cette fois, l’anode est le composé de dioxyde de lithium et de cobalt, la réaction se déroulant de droite à gauche.

L’oxydation se produit toujours avec la décomposition de LiCoO2 en oxyde de cobalt, en ions lithium et en électrons. L’anode a maintenant une polarité positive. Les électrons chargés négativement entrent dans l’anode et sortent par le fil en pénétrant dans la cathode chargée négativement. En même temps, les ions lithium passent de l’anode à la cathode à travers le séparateur en plastique. À la cathode, les électrons entrant dans le fil se combinent avec les ions lithium entrant de l’anode. Ils réagissent avec la structure du graphite, réalisant la réaction inverse pour reformer le graphite de lithium. Une réduction est survenue à la cathode. En conséquence, la réaction globale se déroulera cette fois-ci de droite à gauche.

Nous avons beaucoup appris sur les batteries au plomb et les batteries au lithium-ion. Maintenant, comparons les deux. Un avantage de la batterie au plomb est sa faible résistance interne, ce qui lui permet de fournir un courant élevé au démarreur. Cependant, les batteries au plomb doivent rester en position verticale. C’est un inconvénient. Elles sont grandes et encombrantes. Elles sont plutôt lourdes, donc elles ont un faible rapport puissance-poids. Les batteries au lithium-ion, quant à elles, sont légères. Par conséquent, elles sont utilisées dans de nombreux appareils mobiles. Elles sont relativement petites par rapport aux batteries au plomb ou même très petites. Elles sont étanches et n’ont donc pas besoin de rester en position verticale. Elles fournissent une grande tension pour leur taille par rapport aux piles alcalines ordinaires. Une utilisation incorrecte ou une surcharge de ces batteries peut réduire leur durée de vie.

Maintenant, résumons les points clés de cette vidéo. Les cellules galvaniques secondaires peuvent être déchargées et rechargées. Pendant la décharge, elles agissent comme une cellule galvanique et pendant la recharge, comme une cellule électrolytique. Les batteries au plomb sont un exemple de cellule galvanique secondaire. Elles sont utilisées dans les voitures et se composent de plomb spongieux, qui est du plomb finement divisé, et d’électrodes en oxyde de plomb (IV) dans un électrolyte d’acide sulfurique. Ces batteries sont relativement lourdes et volumineuses. Le deuxième type de cellule galvanique secondaire que nous avons examiné est constitué des batteries lithium-ion. Elles sont souvent utilisées dans les appareils mobiles tels que les ordinateurs portables, les téléphones cellulaires et les outils électriques. Le graphite de lithium et le dioxyde de lithium et de cobalt sont couramment utilisés comme matériaux pour les électrodes. Ces batteries sont généralement légères, petites et génèrent une tension importante par rapport à leur taille.

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