Exercice III: Accumulateurs ou piles rechargeables (4 points)
La plupart des équipements électroniques nomades actuels (ordinateur,
téléphones portables, appareils photo?) sont équipés de batteries lithium-ion.
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Bac S 2010 Polynésie http://labolycee.org
EXERCICE III : ACCUMULATEURS OU PILES RECHARGEABLES (4 points)
Nous avons en permanence besoin de piles, que ce soit pour les jouets des enfants, pour les baladeurs mp3, pour tous les appareils électriques ou électroniques nomades
Outre leur prix et leur durée de vie assez courte, leur recyclage nest pas sans poser problème.
Une solution est donc dutiliser des accumulateurs, appelés également « piles rechargeables ». Ceux-ci peuvent, pour les dernières générations, être rechargés un millier de fois ; ils ont donc une durée de vie nettement supérieure à celle des piles jetables. Ils sont parfaitement adaptés aux appareils utilisés régulièrement. Il existe actuellement trois principales sortes daccumulateurs : les Ni-Cd (Nickel Cadmium), les Ni-MH (Nickel Metal Hydride) et les Li-Ion (Lithium-Ion). De la moins chère à la plus chère, de la plus polluante à la plus écologique.
Daprès le site « fiches techniques-piles rechargeables »
1. Pile nickel-cadmium du laboratoire
La pile nickel-cadmium est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin et mettant en jeu les couples oxydant-réducteur Ni2+(aq) / Ni(s) et Cd2+(aq) / Cd(s).
Chaque demi-pile contient 20 mL de solution aqueuse :
- lune de sulfate de nickel (Ni2+(aq) + SO42(aq))
- lautre de sulfate de cadmium (Cd2+(aq) + SO42(aq)).
Les concentrations molaires en électrolyte de ces solutions aqueuses sont identiques.
Leur valeur c0 est égale à 0,10 mol.L-1.
Chacune des deux électrodes a une masse initiale de 2,0 g.
Soit léquation de réaction : Cd2+(aq) + Ni(s) = Cd(s) + Ni2+(aq) (réaction 1)
1.1. Sens dévolution spontanée du système chimique constituant la pile.
1.1.1. Donner lexpression littérale du quotient de réaction Qr de la réaction 1.
Le calculer dans létat initial.
1.1.2. Sachant que la constante déquilibre K associée à léquation de la réaction 1 est égale à 2,2 ( 10 6, prévoir le sens dévolution spontanée du système chimique constituant la pile.
Écrire léquation de fonctionnement de la pile.
1.2. Écrire les demi-équations électroniques. Préciser sil sagit dune réduction ou dune oxydation.
Indiquer la polarité des électrodes de nickel et de cadmium.
1.3. Quel est le rôle du pont salin ?
2. Laccumulateur Ni-Cd dun téléphone sans fil, première génération
Lélectrolyte est basique, il sagit dune solution aqueuse concentrée dhydroxyde de potassium. Les couples doxydo-réduction impliqués sont :
Cd(OH)2(s) / Cd(s) et NiO(OH)(s) / Ni(OH)2(s).
Le milieu étant basique, la réaction à une des électrodes est :
Cd(s) + 2 HO(aq) = Cd(OH)2 (s) + 2 e
La réaction de décharge de laccumulateur est alors :
Cd(s) + 2 NiO(OH)(s) + 2 H2O(l) = Cd(OH)2(s) + 2 Ni(OH)2(s) (réaction 2)
2.1. Compléter le tableau descriptif de lévolution du système donnée en annexe à rendre avec la copie.
2.2. Le cadmium étant le réactif limitant, retrouver la relation entre la quantité de matière initiale de cadmium, notée n0, et la quantité de matière délectrons échangés lorsque la réaction est terminée.
2.3. Déterminer la quantité maximale délectricité que peut débiter cet accumulateur.
Données : - masse de cadmium : 2,0 g ;
- nombre dAvogadro : Na = 6,02 ( 1023 mol-1 ;
- charge élémentaire : e = 1,6 ( 10 19 C ;
- masse molaire : M(Cd) = 112,4 g.mol1 .
2.4. Comment réalise-t-on la charge de laccumulateur ? Quel est alors le type de fonctionnement ? Écrire léquation de la réaction de charge en justifiant.
Le cadmium étant un métal polluant, cet accumulateur nest plus fabriqué, il est remplacé par laccumulateur Ni-MH
3. Laccumulateur Ni-MH
Laccumulateur nickel hydrure métallique, de langlais nickel métal hydride, utilise lhydrure métallique MHab (composé permettant un stockage de lhydrogène). Lune des réactions aux électrodes est :
M(s) + H2O(l) + e = MHab + HO(aq)
M étant le métal et Hab étant lhydrogène absorbé.
Un téléphone sans fil actuel utilise deux piles rechargeables AAA de technologie Ni-MH. La plupart des appareils nomades peuvent utiliser ce type daccumulateurs. Il existe des chargeurs extrêmement rapides : un fabriquant propose des piles rechargeables de capacités 800 mAh pouvant être rechargées en 15 minutes.
3.1. Quelle est la valeur de la capacité de cette pile en unité SI ?
3.2. Laccumulateur étant totalement déchargé, on veut obtenir à nouveau, une capacité de 800 mAh. Quelle est lintensité nécessaire en courant constant pour réaliser la charge rapide en 15 minutes ?
3.3. Laccumulateur est maintenant totalement chargé. Lintensité, supposée constante, débitée lors de la décharge est de 0,27 A.
Quelle la durée de fonctionnement en minutes de cette pile ?
4. Laccumulateur Li-ion
La plupart des équipements électroniques nomades actuels (ordinateur, téléphones portables, appareils photo
) sont équipés de batteries lithium-ion. Le lithium est un métal intéressant pour la constitution dune pile car sa capacité massique (en mAh.g-1) est très supérieure à celle dautres métaux. Mais le lithium, métal alcalin, est trop réactif pour être utilisé sous forme de métal. Ces piles rechargeables contiennent uniquement des ions Li+. Cest une des technologies envisagées pour la voiture électrique
.
4.1. Dans quelle colonne de la classification périodique se situe lélément lithium ? Justifier.
4.2. La capacité dune pile de téléphone portable est de 4320 C. En supposant que la tension aux bornes de la pile est de 3,7 V lors de son fonctionnement, quelle est lénergie électrique que peut fournir cette pile ?
ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE
2. Laccumulateur Ni Cd dun téléphone sans fil, première génération
Équation Cd(s) + 2NiO(OH)(s) + 2 H2O(l) = Cd(OH)2(s) + 2 Ni(OH)2(s)Avance- -mentQuantités de matière (mol)Quantité délectrons échangés (mol)État initialx = 0n0excèsexcèsn2n30En cours de réac-tionÉtat final
