Fabriquer une batterie

Résumé

Une batterie stocke l’énergie électrique sous forme chimique et la restitue à la demande. Elle est indispensable pour alimenter les télégraphes, les radios, mesurer les courants, et constitue le fondement du stockage énergétique. Ce guide couvre la batterie la plus accessible — la pile de type Volta — puis la batterie rechargeable au plomb-acide.

Principes fondamentaux

Ce qu’est une batterie

Une batterie produit de l’électricité grâce à une réaction chimique entre deux métaux différents (appelés électrodes) baignés dans un liquide conducteur (l’électrolyte). Quand les deux électrodes sont reliées par un fil, les électrons voyagent d’une électrode à l’autre à travers le fil, créant un courant électrique mesurable. La différence de potentiel entre les deux électrodes se mesure en volts.

Chaque cellule élémentaire d’une batterie produit environ 0,4 à 2 volts selon les métaux utilisés. Pour obtenir des tensions plus élevées, on empile plusieurs cellules en série : les tensions s’additionnent. Une cellule cuivre-zinc dans du vinaigre produit environ 0,8 à 1 volt.

Les composants

• Anode : l’électrode négative, en métal plus réactif (zinc de préférence, fer sinon)
• Cathode : l’électrode positive, en métal moins réactif (cuivre)
• Électrolyte : le liquide qui permet le transfert d’ions entre les électrodes (vinaigre, solution saline, ou acide sulfurique dilué)

Pile élémentaire cuivre-zinc (pile Volta)

Matériaux nécessaires

Pour une cellule il faut : une plaque de cuivre d’environ 5 sur 5 centimètres (ou un fil de cuivre épais enroulé), une plaque de zinc de même dimension (ou du fer galvanisé si le zinc manque), du vinaigre concentré Créer de l’acide acétique (vinaigre) comme électrolyte, un récipient en argile non vernissée ou en verre Fabriquer du verre, et un séparateur en carton ou feutre imbibé d’électrolyte.

Comment obtenir le zinc

Le zinc se trouve dans plusieurs sources accessibles. Les toitures anciennes et les gouttières en zinc sont une source directe. Le laiton (alliage cuivre-zinc) peut être dézingué en le chauffant à la forge : le zinc fond à 420 degrés et s’évapore, laissant le cuivre. Les coques de bateaux anciens sont parfois galvanisées au zinc. Les pièces de monnaie modernes contiennent souvent du zinc sous une couche de cuivre.

Si aucun zinc n’est disponible, le fer peut servir d’anode à la place, mais la tension sera plus faible (0,5 à 0,7 volt par cellule au lieu de 0,8 à 1 volt).

Fabrication d’une cellule

1. Couper une plaque de cuivre et une plaque de zinc de dimensions identiques, environ 5 sur 5 centimètres. Les polir avec du sable pour éliminer l’oxydation.

2. Couper un carré de carton ou de feutre de même dimension que les plaques. L’imbiber généreusement de vinaigre.

3. Empiler dans l’ordre : plaque de cuivre (cathode), carton imbibé de vinaigre (électrolyte), plaque de zinc (anode). C’est une cellule.

4. Pour augmenter la tension, empiler plusieurs cellules dans le même ordre : cuivre, carton, zinc, cuivre, carton, zinc, etc. Chaque cellule ajoute environ 1 volt. Pour une pile de 6 volts, empiler 6 cellules.

5. Pour éviter les courts-circuits entre les couches, laisser dépasser alternativement les plaques de cuivre d’un côté et les plaques de zinc de l’autre côté. Relier toutes les plaques de cuivre entre elles et toutes les plaques de zinc entre elles.

6. Entourer l’empilement d’un tissu imbibé de vinaigre pour maintenir l’humidité. Enfermer le tout dans un récipient en argile ou en bois.

Rendement et utilisation

Une pile cuivre-zinc au vinaigre de 6 cellules (environ 6 volts) peut alimenter un télégraphe simple Fabriquer un télégraphe pendant plusieurs heures. Le courant disponible est faible (environ 1 à 10 milliampères par cellule). Pour augmenter le courant disponible, augmenter la surface des plaques (des plaques plus grandes) ou multiplier les cellules en parallèle (toutes les anodes reliées entre elles, toutes les cathodes reliées entre elles).

La pile s’épuise parce que le zinc se dissout lentement dans l’électrolyte et que le cuivre se recouvre de bulles d’hydrogène (polarisation). Pour combattre la polarisation, ajouter un dépolarisant : du dioxyde de manganèse (extrait de certains minerais noirs) mélangé au charbon de bois en poudre autour de la cathode en cuivre. Cela augmente considérablement la durée de vie.

Pile bouteille en argile

Variante plus efficace

Pour une pile plus durable et plus puissante, utiliser des pots individuels en argile non vernissée. Chaque pot contient : au centre, une électrode en cuivre, autour de laquelle on compacte un mélange de dioxyde de manganèse et de charbon de bois en poudre. Le pot en argite poreuse sert de séparateur. Le pot est plongé dans un récipient plus grand contenant la solution de vinaigre avec l’électrode de zinc. Largile poreuse laisse passer les ions mais empêche les deux électrodes de se toucher.

Cette configuration est celle des piles Leclanché historiques et produit environ 1,5 volt par cellule avec un courant plus soutenu que la pile empilement.

Avantages

Les pots individuels sont réutilisables. On peut remplacer la solution quand elle est épuisée. On peut ajouter ou retirer des cellules facilement pour ajuster la tension. Le dépolarisant au manganèse prolonge considérablement la vie utile.

Batterie au plomb-acide (rechargeable)

Principe

La batterie au plomb-acide est rechargeable : elle peut être rechargée en appliquant un courant électrique inverse. C’est la technologie qui permet le stockage d’énergie à long terme. Elle utilise deux électrodes en plomb, une solution d’acide sulfurique, et produit environ 2 volts par cellule.

Matériaux

Plomb : les vieilles canalisations, les poids de pêche, les scuba, les balles de mousquet sont en plomb. Le plomb est mou et facile à fondre (fonte à 327 degrés).

Acide sulfurique : peut être produit à partir de soufre brûlé Produire du soufre et dissous dans l’eau, ou concentré à partir de l’acide des batteries récupérées.

Plaques de plomb : fondre le plomb et le couler en plaques d’environ 2 millimètres d’épaisseur, 10 centimètres de largeur et 15 centimètres de hauteur. Prévoir deux plaques par cellule.

Préparation des plaques — formation

Les plaques de plomb nues ne fonctionnent pas immédiatement. Elles doivent être formées :

1. enduire une plaque de pâte d’oxyde de plomb rouge (minium) mélangé avec de l’acide sulfurique dilué. Cette plaque deviendra l’électrode positive (cathode).

2. L’autre plaque reste en plomb spongieux. Elle deviendra l’anode.

3. Les deux plaques sont immergées dans l’acide sulfurique dilué (concentration d’environ 30 pour cent).

4. Un courant de charge est appliqué Générer de l’électricité : l’anode est connectée au négatif, la cathode au positif. Après plusieurs heures de charge, la plaque enduite se transforme en dioxyde de plomb brun et la plaque spongieuse en plomb poreux gris.

Assemblage

Chaque cellule produit 2 volts. Pour une batterie de 6 volts, assembler 3 cellules en série. Pour 12 volts, 6 cellules. Chaque cellule comprend : un récipient en verre ou en argite vernissée (qui résiste à l’acide), deux plaques de plage formées (une brune, une grise) ne se touchant pas, de l’acide sulfurique dilué remplissant le récipient jusqu’à couvrir les plaques, et un couvercle pour éviter les déversements.

Charge et décharge

La batterie se décharge lentement même sans utilisation (auto-décharge d’environ 3 à 5 pour cent par mois). Pour la recharger, connecter une source de courant continu (dynamo Générer de l’électricité, panneau solaire) avec une tension légèrement supérieure à la tension nominale (6,9 volts pour une batterie de 6 volts). Le courant de charge ne doit pas dépasser un dixième de la capacité en ampères-heures.

Ne jamais court-circuiter une batterie au plomb-acide : le courant de court-circuit est dangereux et peut provoquer un incendie ou faire exploire la batterie en produisant de l’hydrogène.

Mesure et test

Tester une batterie sans multimètre

Pour vérifier qu’une pile produit de l’électricité : tremper les deux fils dans une solution saline. Des bulles doivent se former sur l’électrode négative. Ou toucher les deux bornes avec la langue : une pile de 1,5 volt produit une légère sensation piquante (ne pas faire avec des tensions supérieures à 3 volts). Ou connecter un fil fin entre les deux bornes : le fil doit chauffer et rougir légèrement si le courant est suffisant.

Estimer la capacité

La capacité d’une batterie se mesure en ampères-heures (Ah). Une batterie qui peut fournir 1 ampère pendant 10 heures a une capacité de 10 Ah. Pour une pile Volta, la capacité dépend de la quantité de zinc disponible. Chaque gramme de zinc dissous fournit environ 0,8 ampère-heure. Pour une batterie au plomb-acide, compter environ 30 à 40 Ah par kilogramme de plaque de plomb.

Sécurité

L’acide sulfurique est extrêmement corrosif : il attaque la peau, les yeux et les vêtements. Toujours porter des protections et ajouter l’acide à l’eau (jamais l’eau à l’acide, pour éviter les projections). En cas de contact avec la peau, rincer abondamment à l’eau pendant au moins 15 minutes.

L’hydrogène produit par les batteries au plomb est explosif : ne jamais fumer ou créer d’étincelles à proximité. Les batteries en charge doivent être dans un endroit ventilé.

Ne jamais avaler le contenu d’une batterie. Tenir éloigné des enfants et des animaux.

Voir aussi

• Générer de l’électricité
• Fabriquer un télégraphe
• Construire une radio
• Extraire le cuivre
• Fabriquer du verre
• Produire du soufre
• Créer de l’acide acétique (vinaigre)

Ressources externes

• Open Source Solar (https://opensolar.com/) — Conception de systèmes photovoltaïques et de batteries de stockage
• PartKeepr (https://partkeepr.org/) — Gestion de composants électroniques pour inventorier les matériaux de batterie