Stocker l'énergie à l'aide d'un système électrochimique — Terminale Bac Pro ERA-MA
Dernière mise à jour : 4 mai 2026, 12:00
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter le tableau :
| Système | Rechargeable ? | Réaction chimique |
|---|---|---|
| Pile | ... | Irréversible / Réversible |
| Accumulateur | ... | Irréversible / Réversible |
Pile → Non rechargeable → Réaction irréversible
Accumulateur → Rechargeable → Réaction réversible
Une batterie de perceuse affiche : 18 V – 5 Ah.
a) Quelle est la tension nominale ? U = ... V
b) Quelle est la capacité ? C = ... Ah
c) Calculer l'énergie stockée : \(E = 18 \times 5 = ...\) Wh
a) U = 18 V
b) C = 5 Ah
c) \(E = 18 \times 5 = \mathbf{90}\) Wh
Convertir 90 Wh en joules :
\(E = 90 \times 3\,600 = ...\) J
\(E = 90 \times 3\,600 = \mathbf{324\,000}\) J = 324 kJ
La batterie de 90 Wh alimente une perceuse de puissance P = 300 W.
a) Calculer l'autonomie : \(t = \dfrac{90}{300} = ...\) h
b) Convertir en minutes : \(... \times 60 = ...\) min
a) \(t = \dfrac{90}{300} = \mathbf{0{,}30}\) h
b) \(0{,}30 \times 60 = \mathbf{18}\) min
Compléter les phrases :
a) L'anode est l'électrode ... (positive / négative).
b) L'oxydation a lieu à l'... (anode / cathode).
c) Les électrons circulent de l'... vers la ... dans le circuit extérieur.
a) L'anode est l'électrode négative.
b) L'oxydation a lieu à l'anode.
c) Les électrons circulent de l'anode vers la cathode dans le circuit extérieur.
Barème : 20 points
Vrai ou Faux ? Justifier si faux.
a) On peut recharger une pile alcaline.
b) Un accumulateur utilise une réaction chimique réversible.
a) FAUX. Une pile alcaline n'est pas rechargeable : la réaction chimique est irréversible.
b) VRAI. Un accumulateur utilise une réaction réversible, ce qui permet de le recharger.
Une batterie de visseuse affiche : 12 V – 3 Ah.
a) Quelle est la tension nominale ? U = ... V
b) Quelle est la capacité ? C = ... Ah
c) Calculer l'énergie stockée : \(E = 12 \times 3 = ...\) Wh
a) U = 12 V
b) C = 3 Ah
c) \(E = 12 \times 3 = \mathbf{36}\) Wh
Convertir 36 Wh en joules :
\(E = 36 \times 3\,600 = ...\) J
\(E = 36 \times 3\,600 = \mathbf{129\,600}\) J = 129,6 kJ
La batterie de 36 Wh alimente une visseuse de puissance P = 180 W.
a) Calculer l'autonomie : \(t = \dfrac{36}{180} = ...\) h
b) Convertir en minutes : \(... \times 60 = ...\) min
a) \(t = \dfrac{36}{180} = \mathbf{0{,}20}\) h
b) \(0{,}20 \times 60 = \mathbf{12}\) min
Compléter les phrases :
a) La cathode est l'électrode ... (positive / négative).
b) La réduction a lieu à la ... (anode / cathode).
c) Le courant conventionnel circule de la ... vers l'... dans le circuit extérieur.
a) La cathode est l'électrode positive.
b) La réduction a lieu à la cathode.
c) Le courant conventionnel circule de la cathode vers l'anode dans le circuit extérieur.
Barème : 20 points
Un menuisier agenceur utilise une visseuse à percussion 18 V – 4 Ah et une scie circulaire 18 V – 6 Ah.
a) Calculer l'énergie stockée dans chaque batterie.
b) Laquelle stocke le plus d'énergie ?
a) Visseuse : \(E = 18 \times 4 = \mathbf{72}\) Wh. Scie : \(E = 18 \times 6 = \mathbf{108}\) Wh.
b) La batterie de la scie circulaire stocke plus d'énergie (108 Wh > 72 Wh).
Un ébéniste utilise une défonceuse de puissance P = 600 W alimentée par une batterie 18 V – 5 Ah.
a) Calculer l'énergie stockée dans la batterie.
b) Calculer l'autonomie en minutes.
a) \(E = 18 \times 5 = \mathbf{90}\) Wh
b) \(t = \dfrac{90}{600} = 0{,}15\) h \(= 0{,}15 \times 60 = \mathbf{9}\) min
Un chargeur fournit un courant I = 3 A pour recharger une batterie de capacité C = 6 Ah.
a) Calculer le temps de charge.
b) Un chargeur rapide fournit I = 6 A. Quel serait le nouveau temps de charge ?
a) \(t = \dfrac{C}{I} = \dfrac{6}{3} = \mathbf{2}\) h
b) \(t = \dfrac{6}{6} = \mathbf{1}\) h
Comparer les technologies de batteries suivantes :
| Technologie | Densité d'énergie (Wh/kg) |
|---|---|
| Plomb-acide | 35 |
| Li-ion | 180 |
a) Si une batterie doit stocker 180 Wh, quelle masse faudrait-il pour chaque technologie ?
b) Pourquoi les outils de chantier utilisent-ils des batteries Li-ion ?
a) Plomb : \(m = \dfrac{180}{35} \approx \mathbf{5{,}1}\) kg. Li-ion : \(m = \dfrac{180}{180} = \mathbf{1{,}0}\) kg.
b) Les batteries Li-ion sont beaucoup plus légères pour la même énergie, ce qui est essentiel pour des outils portés à la main sur un chantier.
Dans une pile zinc-cuivre :
a) Écrire la demi-équation d'oxydation à l'anode (zinc).
b) Écrire la demi-équation de réduction à la cathode (cuivre).
c) Dans quel sens circulent les électrons dans le circuit extérieur ?
a) Oxydation : \(\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-\)
b) Réduction : \(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\)
c) Les électrons circulent de l'anode (Zn) vers la cathode (Cu) dans le circuit extérieur.
Barème : 20 points
Un ébéniste utilise une ponceuse 18 V – 3 Ah et une scie sauteuse 18 V – 5 Ah.
a) Calculer l'énergie stockée dans chaque batterie.
b) Laquelle stocke le plus d'énergie ?
a) Ponceuse : \(E = 18 \times 3 = \mathbf{54}\) Wh. Scie : \(E = 18 \times 5 = \mathbf{90}\) Wh.
b) La batterie de la scie sauteuse stocke plus d'énergie (90 Wh > 54 Wh).
Un menuisier agenceur utilise une visseuse de puissance P = 400 W alimentée par une batterie 18 V – 4 Ah.
a) Calculer l'énergie stockée dans la batterie.
b) Calculer l'autonomie en minutes.
a) \(E = 18 \times 4 = \mathbf{72}\) Wh
b) \(t = \dfrac{72}{400} = 0{,}18\) h \(= 0{,}18 \times 60 = \mathbf{10{,}8}\) min ≈ 11 min
Un chargeur fournit un courant I = 2 A pour recharger une batterie de capacité C = 5 Ah.
a) Calculer le temps de charge.
b) Un chargeur rapide fournit I = 5 A. Quel serait le nouveau temps de charge ?
a) \(t = \dfrac{C}{I} = \dfrac{5}{2} = \mathbf{2{,}5}\) h
b) \(t = \dfrac{5}{5} = \mathbf{1}\) h
Comparer les technologies de batteries suivantes :
| Technologie | Densité d'énergie (Wh/kg) |
|---|---|
| Ni-MH | 80 |
| Li-ion | 200 |
a) Si une batterie doit stocker 400 Wh, quelle masse faudrait-il pour chaque technologie ?
b) Pourquoi les outils portatifs modernes utilisent-ils des batteries Li-ion ?
a) Ni-MH : \(m = \dfrac{400}{80} = \mathbf{5{,}0}\) kg. Li-ion : \(m = \dfrac{400}{200} = \mathbf{2{,}0}\) kg.
b) Les batteries Li-ion sont beaucoup plus légères pour la même énergie, ce qui réduit la fatigue lors de l'utilisation d'outils portés à la main.
Dans une pile fer-cuivre :
a) Écrire la demi-équation d'oxydation à l'anode (fer).
b) Écrire la demi-équation de réduction à la cathode (cuivre).
c) Dans quel sens circulent les électrons dans le circuit extérieur ?
a) Oxydation : \(\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^-\)
b) Réduction : \(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\)
c) Les électrons circulent de l'anode (Fe) vers la cathode (Cu) dans le circuit extérieur.
Barème : 20 points
Un chariot élévateur d'atelier fonctionne avec une batterie plomb-acide 48 V – 200 Ah. Le chariot consomme P = 3 000 W en fonctionnement normal.
a) Calculer l'énergie stockée en Wh puis en kWh.
b) Calculer l'autonomie du chariot en heures.
a) \(E = 48 \times 200 = \mathbf{9\,600}\) Wh = 9,6 kWh
b) \(t = \dfrac{9\,600}{3\,000} = \mathbf{3{,}2}\) h soit environ 3 h 12 min.
Un installateur d'agencement compare deux batteries de perceuse :
a) Calculer l'énergie stockée de chaque batterie.
b) Calculer la densité d'énergie massique de chaque batterie.
c) Laquelle est la plus performante en termes de densité d'énergie ?
a) A : \(E = 18 \times 4 = 72\) Wh. B : \(E = 18 \times 6 = 108\) Wh.
b) A : \(\dfrac{72}{0{,}6} = \mathbf{120}\) Wh/kg. B : \(\dfrac{108}{1{,}0} = \mathbf{108}\) Wh/kg.
c) La batterie A a une meilleure densité d'énergie (120 > 108 Wh/kg). Elle est plus légère proportionnellement.
Un technicien d'agencement travaille une journée de 8 h. Il utilise sa perceuse (P = 200 W) pendant environ 40 % du temps.
a) Calculer le temps d'utilisation effectif de la perceuse.
b) Calculer l'énergie consommée sur la journée.
c) Combien de batteries 18 V – 5 Ah lui faut-il pour la journée ?
a) \(t = 8 \times 0{,}40 = \mathbf{3{,}2}\) h
b) \(E_{\text{consommée}} = P \times t = 200 \times 3{,}2 = \mathbf{640}\) Wh
c) Énergie par batterie : \(E = 18 \times 5 = 90\) Wh. Nombre : \(\dfrac{640}{90} \approx 7{,}1\) → il lui faut au minimum 8 batteries (ou 4 batteries avec recharge pendant la journée).
Une batterie Li-ion neuve a une capacité de 5 Ah. Après 800 cycles de charge/décharge, sa capacité n'est plus que de 4 Ah (perte de 20 %).
a) Calculer l'énergie stockée (en Wh) à l'état neuf et après 800 cycles (U = 18 V).
b) Si la perceuse consomme 200 W, calculer la perte d'autonomie (en minutes).
a) Neuve : \(E = 18 \times 5 = 90\) Wh. Après 800 cycles : \(E = 18 \times 4 = 72\) Wh.
b) Autonomie neuve : \(\dfrac{90}{200} = 0{,}45\) h = 27 min. Après 800 cycles : \(\dfrac{72}{200} = 0{,}36\) h = 21,6 min.
Perte : \(27 - 21{,}6 = \mathbf{5{,}4}\) min d'autonomie en moins.
Expliquer la différence entre le fonctionnement en décharge et le fonctionnement en charge d'un accumulateur. Préciser le sens du transfert d'énergie dans chaque cas.
Décharge : L'accumulateur fonctionne comme une pile. L'énergie chimique est transformée en énergie électrique. La réaction d'oxydoréduction est spontanée. Le courant sort de la borne + vers le circuit.
Charge : Un courant extérieur (chargeur) force la réaction chimique inverse. L'énergie électrique est stockée sous forme d'énergie chimique. Le courant entre par la borne +.
C'est la réversibilité de la réaction chimique qui permet les cycles de charge/décharge.
Barème : 20 points
Une grue de chantier mobile fonctionne avec une batterie plomb-acide 36 V – 150 Ah. La grue consomme P = 2 500 W en fonctionnement normal.
a) Calculer l'énergie stockée en Wh puis en kWh.
b) Calculer l'autonomie de la grue en heures.
a) \(E = 36 \times 150 = \mathbf{5\,400}\) Wh = 5,4 kWh
b) \(t = \dfrac{5\,400}{2\,500} = \mathbf{2{,}16}\) h soit environ 2 h 10 min.
Un menuisier agenceur compare deux batteries de visseuse :
a) Calculer l'énergie stockée de chaque batterie.
b) Calculer la densité d'énergie massique de chaque batterie.
c) Laquelle est la plus performante en termes de densité d'énergie ?
a) A : \(E = 18 \times 3 = 54\) Wh. B : \(E = 18 \times 5 = 90\) Wh.
b) A : \(\dfrac{54}{0{,}4} = \mathbf{135}\) Wh/kg. B : \(\dfrac{90}{0{,}7} = \mathbf{128{,}6}\) Wh/kg.
c) La batterie A a une meilleure densité d'énergie (135 > 128,6 Wh/kg). Elle est plus légère proportionnellement.
Un ébéniste travaille une journée de 7 h. Il utilise sa visseuse (P = 150 W) pendant environ 30 % du temps.
a) Calculer le temps d'utilisation effectif de la visseuse.
b) Calculer l'énergie consommée sur la journée.
c) Combien de batteries 18 V – 4 Ah lui faut-il pour la journée ?
a) \(t = 7 \times 0{,}30 = \mathbf{2{,}1}\) h
b) \(E_{\text{consommée}} = P \times t = 150 \times 2{,}1 = \mathbf{315}\) Wh
c) Énergie par batterie : \(E = 18 \times 4 = 72\) Wh. Nombre : \(\dfrac{315}{72} \approx 4{,}4\) → il lui faut au minimum 5 batteries (ou 3 batteries avec recharge pendant la journée).
Une batterie Li-ion neuve a une capacité de 6 Ah. Après 500 cycles de charge/décharge, sa capacité n'est plus que de 5 Ah (perte d'environ 17 %).
a) Calculer l'énergie stockée (en Wh) à l'état neuf et après 500 cycles (U = 18 V).
b) Si la visseuse consomme 180 W, calculer la perte d'autonomie (en minutes).
a) Neuve : \(E = 18 \times 6 = 108\) Wh. Après 500 cycles : \(E = 18 \times 5 = 90\) Wh.
b) Autonomie neuve : \(\dfrac{108}{180} = 0{,}60\) h = 36 min. Après 500 cycles : \(\dfrac{90}{180} = 0{,}50\) h = 30 min.
Perte : \(36 - 30 = \mathbf{6}\) min d'autonomie en moins.
Expliquer la différence entre une pile et un accumulateur. Préciser pourquoi on ne peut pas recharger une pile.
Pile : La réaction chimique est irréversible. Une fois les réactifs consommés, la pile est épuisée et ne peut pas être rechargée. Forcer un courant inverse provoquerait des réactions parasites (échauffement, fuite, explosion).
Accumulateur : La réaction chimique est réversible. En appliquant un courant inverse (chargeur), on régénère les réactifs. L'accumulateur peut ainsi subir de nombreux cycles de charge/décharge.
C'est la nature de la réaction chimique (réversible ou irréversible) qui distingue les deux systèmes.