Batterie primaire

Une batterie primaire est une batterie qui est désignée pour être utilisée une seule fois avant d’être jetée, qui ne peut pas être rechargée avec de l’électricité et qui ne peut pas être réutilisée comme une batterie secondaire (batterie rechargeable). En général, la réaction électro-chimique qui se produit dans la batterie n’est pas réversible, rendant la batterie non rechargeable. Tandis que le batterie primaire est utilisée, les réactions chimiques dans la batterie épuisent les produits chimiques qui génèrent l’électricité ; une fois qu’ils sont totalement épuisés, la batterie arrête de produire de l’électricité et est inutile. En revanche, dans une batterie secondaire, la réaction peut être inversée en introduisant un courant électrique dans la batterie avec un chargeur de batterie pour la recharger, générant les réactions chimiques de nouveau. Les batteries primaires sont produites dans une gamme de tailles standard afin de fournir en énergie les appareils de la famille tels que les lampes de poches et les radios portables.

Les batteries primaires constituent environ 90% des 50 milliards de dollars dépensés dans le marché des batteries, mais les batteries secondaires ont obtenu le partage du marché. Environ 15 milliards de batteries primaires sont jetées chaque année dans le monde entier, et quasiment toutes terminent dans une décharge. À cause de la toxicité des métaux lourds et des puissants acides qu’ils contiennent, le gaspillage des batteries est dangereux. La plupart des municipalités les classifient comme tel et ont besoin de les éliminer séparément. L’énergie dont on a besoin pour produire une batterie est environ 50 fois plus importante que l’énergie qu’elle contient[1],[2],[3],[4]. À cause de leur forte teneur en substances hautement polluantes comparée à leur petite teneur en énergie, la batterie primaire est considérée comme gaspilleuse, et comme étant une technologie hostile pour l’environnement. Principalement en raison de l’augmentation des ventes des appareils et outils à transmission sans fil, qui ne peuvent pas être fournis économiquement par des batteries primaires et existent avec des batteries rechargeables intégrées, l'industrie de la batterie secondaire a fait l'objet d'une forte croissance et a lentement remplacée les batteries primaires dans les produits haut de gamme.

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Une utilisation à la mode

Au début du XXIe siècle, les batteries primaires ont commencé à perdre une part du marché en faveur des batteries secondaires, comme pour le prix de ces dernières. La demande en énergie des lampes de poches a été réduite par le remplacement des ampoules incandescentes par des diodes électroluminescentes(LED)[5].

Le marché restant a expérimenté l’augmentation de la compétition des labels (privatisés ou non). Le partage du marché entre les deux leaders US de fabrication, Energizer and Duracell, a diminué de 37 % en 2012. À côté de Rayovac, ces trois tentent de faire passer les consommateurs des batteries de Zinc-carbone à des batteries alcalines ; plus chères, plus durables et plus sûres[5].

Les consommateurs occidentaux de batteries écoulent les productions offshores et ne produisent plus de batteries zinc-carbone aux États-Unis[5].

La Chine possède désormais le plus grand marché de batteries, où il est prévu que la demande augmente plus vite qu’à n’importe quel autre endroit, et a également changé pour des batteries alcalines. Les autres pays développant des batteries jetables doivent affronter le bas de gamme, les éoliennes et les appareils rechargeables qui ont proliféré[5].

Comparaison entre batteries primaires et secondaires

Les batteries secondaires (batteries rechargeables) sont en général plus économiques à l’utilisation que les batteries primaires. Leur prix initialement élevé ainsi que le prix d’achat d’un système de charge peut être étendu sur beaucoup cycles d’utilisation (entre 100 et 1000 cycles). Par exemple, dans les outils à énergie portatifs, ce serait extrêmement coûteux de faire remplacer les batteries primaires à haute capacité au bout de quelques heures.

Les batteries primaires n'ont pas été conçues pour être rechargées entre leur fabrication et leur utilisation, par conséquent elles possèdent des batteries chimiques qui doivent avoir un taux d'auto-décharge inférieur aux anciens types de batteries secondaires, mais elles ont perdu cet avantage à cause du développement des batteries secondaires rechargeables avec un taux d'auto-décharge similaire aux batteries à faible auto-décharge NiMH qui tiennent la charge suffisamment longtemps pour être vendues pré-chargées[6],[7].

Les genres communs de batteries secondaires (à savoir NiMH et Li-Ion), grâce à leur résistance intérieure moindre, ne souffrent pas de l'énorme et rapide perte d'énergie que les Alcalines, les Zinc-Carbones et les Zinc-Chlorure ont[8].

Les batteries économiques atteignent un très long temps de stockage (de l'ordre de 10 ans ou plus) sans pertes de capacité, en séparant physiquement les composants de la batterie et en les assemblant seulement au moment de l'utilisation. De telles fabrications sont coûteuses mais sont demandées comme des munitions, qui peuvent être stockées durant des années avant d'être utilisées.

Les batteries primaires rechargeables

Les tentatives pour rallonger la vie des batteries primaires, comme les batteries alcalines rechargeables, ont rencontré des résultats variés. Les produits tiers sont manufacturés et représentés comme étant capables de recharger des batteries primaires. Les réactions chimiques internes des batteries primaires ne sont pas aisément réversibles par l'application de courants extérieurs, alors les réactifs ne retournent pas entièrement à leur état et positionnement naturels. Les batteries primaires rechargées n'auront jamais la durée de vie ou la performance des batteries secondaires. En général, les fabricants de batteries primaires mettent en garde contre le rechargement.

La polarisation

Un facteur majeur de la réduction de la durée de vie d'une batterie primaire est sa polarisation lors de son utilisation. Ça veut dire que l'hydrogène s'accumule sur la cathode et réduit l'efficacité de la batterie. Afin de réduire les effets de la polarisation dans les batteries commerciales et ainsi augmenter leur durée de vie, la dépolarisation chimique est utilisée : un agent oxydant est ajouté à la batterie, afin d'oxyder l'hydrogène en eau. Du dioxyde de manganèse est utilisé dans la batterie Leclanché et dans la batterie zinc-carbone. De plus, de l'acide nitrique est utilisé au sein de la batterie Bunsen et de la batterie Grove.

Des essais ont été menés afin de rendre les batteries simples auto-dé-polarisantes en rendant rugueuse la surface d'une assiette de cuivre dans le but de faciliter le détachement des bulles d'hydrogène, avec un léger succès. La dé-polarisation électrochimique change l'hydrogène en métal, tel que le cuivre (c.f Daniel Cell) et le fer (c.f Silver-oxyde cell).

Terminologie

Anode et Cathode

La borne de la batterie (électrodes) qui développe une tension polarisante positive ( l'électrode de carbone dans une pile sèche) est appelée la cathode et l'électrode avec une polarité négative (Zinc dans une pile usagée) est appelée anode[9],[10]. C'est le contraire de la terminologie utilisée pour une batterie électrolytique ou un tube vacuum thermoïonique. La raison est que les termes anodes et cathodes sont définis par le sens de leur courant électrique, et non par leur voltage. L'anode est la borne au travers de laquelle le courant électrique (charges positives) entre dans la batterie depuis le circuit externe, tandis que la cathode est la borne à travers laquelle le circuit électrique quitte la batterie pour s'écouler dans le circuit externe. Depuis qu'une batterie est une source d'énergie qui fournit la tension poussant le courant au travers du circuit externe, la tension à l'intérieur de la cathode doit être plus puissant que celui à l'intérieur de l'anode, créant un champ électrique dirigé de la cathode à l'anode, afin de pousser les charges positives hors de la cathode grâce à la résistance du circuit externe.

Au sein de la batterie, l'anode est l'électrode dans laquelle l'oxydation chimique se produit, ce qui donne des électrons qui s'écoulent hors de l'anode pour aller dans le circuit externe. La cathode est l'électrode dans laquelle la réduction chimique se produit, comme la batterie accepte les électrons du circuit à travers la cathode.

Hors de la batterie, différentes terminologies sont utilisées. Lorsque l'anode donne des charges positives à l'électrolyte (il reste ainsi un excès d'électrons qui seront donnés au circuit), elle devient chargée négativement et par conséquent connectée à la borne marquée « - » sur l'extérieur de la batterie. La cathode, pendant ce temps, donne des charges négatives à l'électrolyte, le rendant chargé positivement ( ce qui lui permet d'accepter des électrons depuis le circuit) et est par conséquent connectée à la borne marquée « + » sur l'extérieur de la batterie[11].

De vieux manuels contiennent des terminologies différentes pouvant rendre confus les lecteurs actuels. Par exemple, un manuel d'Ayrton et Mather paru en 2011 décrit les électrodes comme des « plaques négatives » et des « plaques positives »[12].

Voir aussi

Références

  1. ↑ (en) Hill, Marquita K. (Marquita Kaya), Understanding environmental pollution : a primer, Cambridge, Cambridge University Press, , 464 p. (ISBN 0-521-82024-3, 9780521820240 et 0521527260) (OCLC 60372133) [lire en ligne (page consultée le 2019-02-08)] .
  2. ↑ Watts, John. et Loxley, Susan., The essentials of GCSE Edexcel science, Lonsdale, (ISBN 1-905129-63-7, 9781905129638 et 1905129645) (OCLC 74815378) [lire en ligne (page consultée le 2019-02-08)] .
  3. ↑ Ltd, Wastebusters., The Green Office Manual : a Guide to Responsible Practice., Taylor and Francis, (ISBN 978-1-134-19805-4, 1134198051 et 9781134197989) (OCLC 863823350) [lire en ligne (page consultée le 2019-02-08)] .
  4. ↑ (en) Building the Green Economy : Success stories from the Grassroots, Routledge, , 282 p. (ISBN 978-1-317-26292-3 et 1-317-26292-1) [présentation en ligne], p. 199 
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 et 5,3 « Action 1: Stay informed », sur dx.doi.org, (consulté le )
  6. ↑ (en) admin, « eneloop AA 4-Pack », sur Panasonic (consulté le )
  7. ↑ « Eneloop Self Discharge study », sur www.candlepowerforums.com (consulté le )
  8. ↑ « Discharge tests of Alkaline AA batteries », sur www.powerstream.com (consulté le )
  9. ↑ Isidor Buchmann, « Battery Testing and Diagnostic Instrumentation », dans Lead-Acid Battery Technologies, CRC Press, (ISBN 9781466592223, lire en ligne), p. 213–228
  10. ↑ Ellen Paul Denker, « Amelung, John Frederick », dans Oxford Art Online, Oxford University Press, (lire en ligne)
  11. ↑ Newman, John S., 1938-, Electrochemical systems, J. Wiley, (ISBN 0-471-47756-7 et 9780471477563) (OCLC 54542969) [lire en ligne (page consultée le 2019-02-22)] 
  12. ↑ W E Ayrton et T Mather, « Galvanometers. - Third Paper », Proceedings of the Physical Society of London, vol. 16, no 1,‎ , p. 169–206 (ISSN 1478-7814, DOI 10.1088/1478-7814/16/1/323, lire en ligne, consulté le )

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