Science des batteries automobiles: Comment fonctionnent les batteries
Votre batterie automobile est l'un des composants électriques les plus importants, et le plus souvent négligé, de votre véhicule. Si votre batterie n'est pas en bon état, vous pouvez être en panne, et d'autres composants de votre véhicule peuvent être endommagés. Cet article discute de comment les batteries fonctionnent et comment en prendre soin.
Qu'y a-t-il à l'intérieur d'une batterie automobile ?
À l'intérieur d'une batterie de voiture typique se trouvent six composants plus petits producteurs d'énergie appelés cellules. Chaque cellule contient une série d'électrodes ou de plaques. La plaque positive de la batterie est du dioxyde de plomb (PbO2). Les plaques négatives de la batterie sont du plomb pur dans un état mou, épongeux. Les plaques à l'intérieur de chaque cellule sont disposées en couches alternées pour un total de 16 composants. Toutes les plaques positives dans une cellule sont câblées en parallèle, tout comme toutes les plaques négatives.
Chaque cellule produit environ 2 volts d'électricité. Les six cellules individuelles sont câblées en série les unes avec les autres pour que la tension générée par chaque cellule s'additionne. Le résultat est 12 volts.
Êtes-vous prêt pour la chimie ?
Une solution diluée d'acide sulfurique (H2SO4) entoure les plaques. Le rapport d'acide à eau (H2O) est typiquement dans la région de trois parties d'eau pour une partie d'acide.
Quand nous connectons une charge aux bornes externes de la batterie, une réaction chimique commence à avoir lieu. Notre mélange d'acide sulfurique dilué comprend H2SO4 et eau (H2O). Au début de la réaction, l'acide sulfurique se divise en ions hydrogène positifs (2H) et ions sulfate négatifs (SO4).
Quand les ions hydrogène atteignent la plaque de dioxyde de plomb, ils absorbent des électrons de celle-ci et deviennent un atome d'hydrogène. Ce processus attaque le dioxyde de plomb pour produire de l'oxyde de plomb (PbO) et de l'eau (H2O). L'oxyde de plomb réagit avec l'acide sulfurique pour former du sulfate de plomb (Pb SO4) et de l'eau (H2O).
Les ions sulfate négatifs se déplacent librement dans la solution. Quand ils atteignent la plaque de plomb pur, ils donnent leur électron supplémentaire et deviennent ce qu'on appelle un sulfate radical. Comme un sulfate radical ne peut pas exister seul, il attaquera la plaque de plomb pur pour produire du sulfate de plomb (PbSO4).
L'action des ions hydrogène positifs prenant des électrons de la plaque de dioxyde de plomb, et les ions sulfate négatifs donnant des électrons à la plaque de plomb pur produisent un déséquilibre d'électrons. Ces électrons traversent la charge externe pour essayer de s'équilibrer. Ce processus est comment la batterie fournit de l'énergie à notre charge (lumière, amplificateur, chauffage ou ordinateur).
La chimie derrière la charge de la batterie
Quand nous appliquons une source DC externe à la batterie, nous inversons le processus. Une source DC externe telle qu'un alternateur ou un chargeur de batterie alimente des électrons vers notre plaque de dioxyde de plomb couverte de sulfate de plomb positive et notre plaque de plomb couverte de peroxyde de plomb négative. Pendant le processus de charge, la densité de la solution d'acide sulfurique diminue, mais nous avons encore des ions hydrogène positifs et des ions sulfate négatifs.
Les ions hydrogène chargés positivement se déplacent vers la borne négative de la source DC externe. Chaque ion hydrogène prend un électron de la plaque négative pour devenir un atome d'hydrogène. Ces atomes d'hydrogène attaquent le sulfate de plomb pour produire du plomb et de l'acide sulfurique.
Les ions sulfate négatifs se déplacent vers la plaque chargée positivement. Quand ils y arrivent, ils donnent leur électron supplémentaire pour devenir des sulfates radicaux. Ce sulfate radical réagit avec le sulfate de plomb, et forme du peroxyde de plomb et de l'acide sulfurique.
On peut simplifier tout ça !
En résumé, la borne négative d'une batterie au plomb-acide a une surabondance d'électrons. Quand vous connectez une charge à la batterie, les électrons se précipitent à travers la charge pour aller à la borne positive. Ce flux d'électrons est ce qui permet à la batterie de fournir de l'énergie pour faire du travail.
Quand nous appliquons une tension à la batterie qui est plus haute que sa tension de repos, le flux d'électrons s'inverse. Les couches de sulfate sur les plaques sont converties de retour en plomb et acide sulfurique.
Charge de la batterie: Calmez-vous – Quelle est la précipitation ?
À peu près la pire chose que vous puissiez faire à une batterie de voiture est de précipiter le processus de charge. Si vous précipitez la réaction chimique de recharge, le sulfate de plomb chauffe et adhère définitivement aux plaques de plomb et de dioxyde de plomb. Une fois qu'il est coincé là, nous ne pouvons plus utiliser cette zone de la plaque pour faire circuler des électrons, et nous avons réduit la taille effective de la batterie.
Vous avez probablement entendu l'expression « une batterie n'est plus jamais la même après qu'elle a été tuée ». Cette affirmation est très vraie si la batterie n'est pas chargée doucement et complètement.
Quand vous voulez recharger votre batterie correctement, garder le processus lent permettra à la réaction chimique d'avoir lieu à un rythme contrôlé. Si vous utilisez un chargeur de haute qualité, contrôlé par ordinateur (et vous devriez !) il y a deux étapes de charge majeures. La première étape s'appelle la charge en vrac. Le chargeur maintiendra un flux de courant constant vers la batterie en ajustant la tension appliquée.
Comment savez-vous si vous chargez une batterie de voiture trop vite ? Les batteries à électrolyte liquide standard ne devraient pas dépasser environ 49 degrés Celsius pendant la charge. Nous suggérons que plus lent et plus frais est toujours mieux. Une batterie à tapis de verre absorbant (AGM) ou gel ne devrait pas dépasser 38 degrés.
Une fois qu'environ 80 % de l'énergie utilisée a été retournée à la batterie, le chargeur passera à l'étape d'absorption. À cette étape, le chargeur fournit une tension constante à la batterie et le flux de courant diminue alors que la batterie atteint la charge complète.
Comment calculer les taux maximums de charge de batterie
Une batterie de voiture relativement grande peut avoir une capacité de 70 ou 80 ampères-heures. Cette spécification signifie que sous des conditions idéales, vous pouvez tirer 1 ampère de courant de la batterie pendant 70 ou 80 heures. Après ce temps, la batterie sera considérée comme morte.
Pour trouver le taux de charge idéal pour notre batterie de 70 ampères-heures, nous divisons cette spécification par 10 pour obtenir sept ampères. La batterie devrait être capable d'accepter 7 ampères de courant de charge sans surchauffer. Il vaut la peine de noter que, si la batterie est complètement déchargée, cela prendra 10 heures pour la charger. Rappelez-vous, plus lent est mieux quand il s'agit de charger des batteries.
Prendre soin de votre batterie de voiture
Certains d'entre nous qui sont plus fanatiques sur le soin et l'entretien de nos batteries de voiture les connecteront à des chargeurs intelligents plusieurs fois par an. Une règle empirique est de charger votre batterie complètement après chaque vidange d'huile, ou quatre fois par an. Vous devriez augmenter cette fréquence si vous faites de courts trajets qui ne fournissent pas un temps de charge adéquat. De même, le temps passé à jouer votre système audio avec le moteur éteint peut vider une batterie très rapidement. Si vous avez été dehors avec des amis et que votre batterie de voiture a été épuisée, mettez-la sur un chargeur de haute qualité pendant la nuit.
Si vous pouvez accéder à la solution d'acide dans votre batterie, assurez-vous qu'elle est au niveau approprié, ou au minimum, qu'elle couvre complètement les plaques de plomb. Un hydromètre devrait être utilisé pour confirmer la gravité spécifique de la solution, mais si elle est basse, ajouter de l'eau distillée est mieux que de ne rien faire. Ce petit « œil » vert inclus dans certaines batteries est un hydromètre. Quand il disparaît, l'équilibre chimique à l'intérieur de la batterie est déréglé et elle a besoin d'être chargée.
Votre détaillant en électronique mobile local peut avoir un testeur de charge de batterie qu'ils utilisent avant chaque démarreur à distance qu'ils installent. Si vous êtes préoccupé par l'état de votre batterie, demandez-leur de la vérifier. Être en panne à cause d'une batterie morte quand les températures baissent est frustrant si vous essayez de rentrer chez vous ou d'aller au travail.
Assurez-vous que les bornes de la batterie et les connexions à votre véhicule sont propres et sécurisées en tout temps. Une connexion lâche peut avoir un effet adverse dramique sur la fonctionnalité de votre système électrique.
Si vous avez besoin d'une nouvelle batterie, vérifiez d'abord avec votre détaillant en amélioration mobile local. Ils ont souvent une expérience extensive dans la mise à niveau des batteries et peuvent vous aider à choisir une solution qui assurera que votre voiture est prête à partir chaque fois que vous tournez la clé.