Stocker l'énergie à l'aide d'un système électrochimique | Terminale Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 4 mai 2026, 12:00
Capacités et connaissances du programme :
C1 – Identifier les éléments d'une pile ou d'un accumulateur (électrodes, électrolyte)
C2 – Écrire les réactions aux électrodes (oxydation anode, réduction cathode)
C3 – Calculer la tension, la capacité et l'énergie d'un accumulateur (\(E = C \times U\))
C4 – Distinguer pile primaire et accumulateur rechargeable
C5 – Identifier les applications et le recyclage des batteries
C1 — Identifier les éléments d'une pile ou d'un accumulateur
Une pile ou un accumulateur comprend :
– Anode : électrode négative (oxydation — perte d'électrons)
– Cathode : électrode positive (réduction — gain d'électrons)
– Électrolyte : solution ionique conductrice reliant les deux électrodes
– Séparateur : membrane qui empêche le contact direct entre les électrodes tout en laissant passer les ions
Exercice 1
Une pile Daniell est constituée d'une électrode de zinc (Zn) plongée dans du sulfate de zinc (ZnSO₄) et d'une électrode de cuivre (Cu) dans du sulfate de cuivre (CuSO₄), reliées par un pont salin. Identifier l'anode, la cathode et l'électrolyte.
– Anode (–) : électrode de zinc (Zn s'oxyde : Zn → Zn²⁺ + 2e⁻)
– Cathode (+) : électrode de cuivre (Cu²⁺ se réduit : Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu)
– Électrolyte : solutions de ZnSO₄ et CuSO₄ (transport des ions)
– Pont salin : assure la neutralité électrique des deux compartiments.
Exercice 2
Un menuisier agenceur utilise une visseuse sans fil. La batterie Li-ion contient une anode en graphite (carbone) et une cathode en oxyde de lithium cobalt. Quel rôle joue l'électrolyte dans cette batterie ?
L'électrolyte (solution de sels de lithium dans un solvant organique) assure le transport des ions Li⁺ entre l'anode et la cathode lors de la charge et de la décharge. Il ne conduit pas les électrons (ceux-ci circulent dans le circuit extérieur pour alimenter le moteur de la visseuse). L'électrolyte est indispensable à la réaction électrochimique.
Exercice 3
Relier chaque terme à son rôle dans un accumulateur : anode / cathode / électrolyte / séparateur.
A – Empêche le court-circuit interne tout en laissant passer les ions
B – Électrode où se produit l'oxydation (–)
C – Milieu conducteur ionique entre les électrodes
D – Électrode où se produit la réduction (+)
Anode – B | Cathode – D | Électrolyte – C | Séparateur – A
C2 — Écrire les réactions aux électrodes
Anode (oxydation) : le réducteur perd des électrons → espèce oxydée + e⁻ Cathode (réduction) : l'oxydant gagne des électrons + e⁻ → espèce réduite
Moyen mnémotechnique : Ox Red – An Cat (Oxydation à l'Anode, Réduction à la Cathode)
Exercice 1
Dans une pile zinc-cuivre, écrire la demi-équation d'oxydation à l'anode (couple Zn²⁺/Zn).
À l'anode, le zinc s'oxyde (il perd 2 électrons) :
\[\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\text{e}^-\]
Exercice 2
Dans la même pile, écrire la demi-équation de réduction à la cathode (couple Cu²⁺/Cu).
À la cathode, les ions Cu²⁺ se réduisent (ils gagnent 2 électrons) :
\[\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}\]
Exercice 3
Dans un accumulateur plomb-acide en charge, les réactions sont inversées. À l'anode, le plomb (Pb) est oxydé en PbSO₄. Écrire la demi-équation sachant que l'électrolyte est H₂SO₄ (fournissant SO₄²⁻).
\[\text{Pb} + \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{PbSO}_4 + 2\text{e}^-\]
Le plomb est oxydé (perd 2 électrons) et les ions sulfate forment avec lui du sulfate de plomb insoluble qui se dépose sur l'électrode.
C3 — Calculer tension, capacité et énergie d'un accumulateur
Capacité : \(C\) en Ah (ampères-heures) — quantité d'électricité que peut fournir l'accumulateur. Énergie : \(E = C \times U\) (en Wh, si \(C\) en Ah et \(U\) en V)
Conversion : 1 Wh = 3 600 J
Exercice 1
Une batterie Li-ion de perceuse a une capacité \(C = 2\) Ah et une tension \(U = 18\) V. Calculer l'énergie stockée en Wh et en joules.
\[E = C \times U = 2 \times 18 = 36 \text{ Wh}\]
\[E = 36 \times 3\,600 = 129\,600 \text{ J}\]
E = 36 Wh = 129 600 J.
Exercice 2
Un ébéniste dispose d'une batterie de 5 Ah sous 20 V. Sa visseuse sans fil consomme 100 W. Combien de temps peut-il utiliser l'outil en continu ?
Une batterie de 4 Ah sous 12 V est rechargée avec un courant de 2 A. Calculer l'énergie stockée et le temps de charge complet.
\[E = 4 \times 12 = 48 \text{ Wh}\]
Temps de charge : \(t = C / I_{\text{charge}} = 4 / 2 = 2\) h E = 48 Wh et temps de charge = 2 h.
Exercice 4
Comparer deux batteries de visseuse : A (3 Ah, 18 V) et B (2 Ah, 36 V). Laquelle stocke le plus d'énergie ?
Batterie A : \(E_A = 3 \times 18 = 54\) Wh
Batterie B : \(E_B = 2 \times 36 = 72\) Wh La batterie B stocke davantage d'énergie (72 Wh vs 54 Wh), malgré une capacité moindre, grâce à sa tension plus élevée.
C4 — Distinguer pile primaire et accumulateur rechargeable
Pile primaire : non rechargeable — les réactions chimiques sont irréversibles. Usage unique (pile alcaline, pile bouton…). Accumulateur (pile secondaire) : rechargeable — les réactions sont réversibles grâce à l'apport d'énergie électrique. (Li-ion, NiMH, plomb-acide…)
Exercice 1
Classer les sources d'énergie suivantes en pile primaire ou accumulateur :
a) Pile AA alcaline d'une télécommande
b) Batterie Li-ion d'une perceuse sans fil
c) Pile bouton d'une montre
d) Batterie 12 V d'une voiture
a) Pile primaire (non rechargeable)
b) Accumulateur (Li-ion rechargeable)
c) Pile primaire (non rechargeable)
d) Accumulateur (plomb-acide rechargeable)
Exercice 2
Expliquer pourquoi les ateliers de menuiserie préfèrent les outils équipés d'accumulateurs plutôt que de piles primaires.
Les accumulateurs sont rechargeables : une fois l'investissement initial réalisé, le coût d'utilisation est très faible (seul le coût de l'électricité de recharge est facturé). À l'inverse, les piles primaires doivent être remplacées fréquemment, ce qui est coûteux en fonctionnement intense (atelier professionnel) et génère des déchets à traiter. Les accumulateurs modernes (Li-ion) offrent une haute densité d'énergie, une longue durée de vie (centaines de cycles) et un rechargement rapide adapté au rythme professionnel.
Exercice 3
Un accumulateur Li-ion supporte 500 cycles de charge/décharge. Un menuisier charge sa batterie une fois par jour ouvré. Combien d'années durera la batterie ?
Jours ouvrés par an ≈ 228 (52 semaines × 5 jours − congés).
\[t = \frac{500 \text{ cycles}}{228 \text{ cycles/an}} \approx 2{,}19 \text{ ans}\]
La batterie durera environ 2 ans à ce rythme d'utilisation.
C5 — Applications et recyclage des batteries
Les batteries contiennent des métaux (lithium, cobalt, nickel, plomb…) qui peuvent être toxiques ou rares. Le recyclage est obligatoire (directive européenne) et économiquement précieux pour récupérer ces matériaux.
Exercice 1
Donner deux applications des accumulateurs dans le domaine de la menuiserie et de l'agencement.
1. Outillage portatif sans fil : perceuses, visseuses, cloueurs, ponceuses — permettant de travailler sans cordon dans tout l'atelier ou sur le chantier.
2. Éclairage de chantier autonome : projecteurs LED à batterie pour illuminer les zones de pose et d'assemblage sans accès au réseau électrique.
Exercice 2
Un technicien d'agencement doit jeter une batterie Li-ion usagée. Quel est le circuit de collecte réglementaire et pourquoi ce recyclage est-il important ?
La réglementation interdit de jeter les batteries dans les ordures ménagères. Le circuit réglementaire est le dépôt dans les bacs de collecte dédiés présents en magasins de bricolage, chez les revendeurs d'outillage ou en déchetterie (réseau Corepile, Screlec…).
Importance du recyclage :
– Récupération de matériaux précieux et rares (lithium, cobalt, nickel).
– Évite la pollution des sols par des métaux lourds toxiques.
– Réduit la dépendance aux importations de matières premières stratégiques.
Exercice 3
Le taux de recyclage des batteries Li-ion en France est d'environ 45 %. Si un atelier produit 20 batteries usagées par an et que chaque batterie contient 0,05 kg de cobalt, calculer la masse de cobalt recyclée annuellement par cet atelier.
Masse totale de cobalt : \(20 \times 0{,}05 = 1\) kg
Masse recyclée : \(1 \times 0{,}45 = 0{,}45\) kg 0,45 kg de cobalt sont recyclés annuellement. À l'échelle nationale (des millions d'ateliers et d'entreprises), ce gisement représente une ressource significative.