Chapitre 2 – Stocker l'énergie à l'aide d'un système électrochimique

Terminale Bac Pro ERA-MA | Groupement 3 | Physique – Électricité

Dernière mise à jour : 4 mai 2026, 12:00

Objectifs du chapitre

Comprendre le fonctionnement d'une pile et d'un accumulateur
Identifier les réactions d'oxydoréduction aux électrodes
Calculer l'énergie stockée dans un accumulateur
Comparer les performances de différents accumulateurs

1. Introduction – Les batteries sur le chantier

Contexte professionnel
Sur un chantier de bâtiment, de menuiserie ou de métallerie, les outils sans fil sont indispensables : perceuses visseuses, scies sabre, cloueurs, clés à chocs, meuleuses… Tous fonctionnent grâce à des accumulateurs (batteries rechargeables).

Une batterie Li-ion 18 V – 5 Ah est aujourd'hui standard. Mais que signifient ces chiffres ? Combien de temps peut-on travailler avant de devoir recharger ? Quelle technologie choisir pour maximiser l'autonomie ? Ce chapitre répond à toutes ces questions.

Un système électrochimique permet de stocker l'énergie sous forme chimique et de la restituer sous forme électrique. Il existe deux grandes catégories :

La pile : source d'énergie non rechargeable (réaction chimique irréversible)
L'accumulateur : source d'énergie rechargeable (réaction chimique réversible)

2. La pile électrochimique

Définition – Pile
Une pile est un générateur qui transforme de l'énergie chimique en énergie électrique par une réaction d'oxydoréduction spontanée.
Elle n'est pas rechargeable : une fois les réactifs consommés, elle est épuisée.

Une pile est composée de deux électrodes plongées dans un électrolyte :

L'anode (électrode négative) : siège de l'oxydation → un métal perd des électrons
La cathode (électrode positive) : siège de la réduction → les ions gagnent des électrons

Réactions d'oxydoréduction
Oxydation (anode –) : espèce chimique qui perd des électrons → réducteur
Exemple : Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

Réduction (cathode +) : espèce chimique qui gagne des électrons → oxydant
Exemple : Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

Les électrons circulent dans le circuit extérieur de l'anode vers la cathode (sens de l'anode vers la cathode).
Le courant conventionnel circule en sens inverse (de + vers –).

Application

Dans une pile zinc-cuivre, identifiez l'anode et la cathode, et précisez quelle réaction (oxydation ou réduction) se produit à chaque électrode.

3. L'accumulateur rechargeable

Définition – Accumulateur
Un accumulateur est un système électrochimique rechargeable. La réaction chimique est réversible :

Décharge : comme une pile, énergie chimique → énergie électrique
Charge : l'énergie électrique est stockée en énergie chimique (réaction inverse forcée par un courant extérieur)

Définition – Capacité d'un accumulateur
La capacité C est la quantité de charge électrique que peut stocker un accumulateur :
\( C = I \times t \)
C en ampères-heures (Ah) ou milliampères-heures (mAh), I en ampères (A), t en heures (h)

Exemple : une batterie de capacité 5 Ah peut fournir 5 A pendant 1 heure, ou 1 A pendant 5 heures.

\[ E_{stockée} = U \times C = U \times I \times t \] E_stockée en wattheures (Wh) — U en volts (V) — C en ampères-heures (Ah)

Application

Une batterie Li-ion de visseuse affiche 18 V – 3 Ah. Calculer l'énergie stockée en Wh puis en joules.

Méthode – Convertir Wh en Joules
1 Wh = 3 600 J (car 1 h = 3 600 s)
\( E_{(J)} = E_{(Wh)} \times 3\,600 \)

Méthode
Calculer l'énergie stockée et l'autonomie d'une batterie

Repérer les données sur la batterie : tension nominale U (en V), capacité C (en Ah) et puissance de l'outil P (en W).
Calculer l'énergie stockée : \( E = U \times C \) (résultat en Wh).
Si besoin, convertir en joules : \( E_{(J)} = E_{(Wh)} \times 3\,600 \)
Calculer l'autonomie : \( t = \dfrac{E}{P} \) (résultat en heures si E en Wh et P en W).
Convertir en minutes si nécessaire : \( t_{(min)} = t_{(h)} \times 60 \)

Application

Un poseur de cuisines utilise une scie circulaire de 18 V – 5 Ah consommant 400 W. Calculer l'autonomie de la batterie en minutes.

Exemple – Batterie Li-ion de chantier

Batterie : 18 V – 5 Ah (perceuse Makita, Bosch, Dewalt…)

Énergie stockée :

\[ E = U \times C = 18 \times 5 = \mathbf{90 \text{ Wh}} \]

En joules : \( 90 \times 3\,600 = 324\,000 \text{ J} = 324 \text{ kJ} \)

Autonomie avec une perceuse de 200 W :

\[ t = \frac{E}{P} = \frac{90 \text{ Wh}}{200 \text{ W}} = 0{,}45 \text{ h} = 27 \text{ min} \]

4. Densité d'énergie – Comparer les technologies

Définition – Densité d'énergie massique
La densité d'énergie massique est l'énergie stockée par kilogramme d'accumulateur :
\( \text{Densité} = \dfrac{E_{stockée}}{m} \)
En Wh/kg — plus c'est élevé, plus la batterie est légère pour une même énergie stockée.

Les outils de chantier utilisent principalement des batteries Li-ion car elles offrent la meilleure densité d'énergie tout en étant rechargeables rapidement.

Technologie	Tension nominale	Densité d'énergie (Wh/kg)	Nombre de cycles	Applications professionnelles
Plomb-acide	2 V/élément	30 – 40	300 – 500	Batterie de chantier, éclairage de secours en atelier
NiCd (Nickel-Cadmium)	1,2 V/élément	45 – 60	1 000 – 2 000	Anciens outils sans fil (moins utilisés)
NiMH (Nickel-Métal Hydrure)	1,2 V/élément	60 – 100	500 – 1 000	Outils sans fil milieu de gamme
Li-ion (Lithium-ion)	3,6 V/élément	150 – 200	500 – 1 500	Outils professionnels de chantier
Li-polymère	3,7 V/élément	180 – 220	300 – 500	Drones de surveillance, robots de manutention légers

5. Graphique – Densité d'énergie par technologie

6. Animation – Simulation de charge et décharge

Simulation d'un accumulateur 18 V – 4 Ah. Observez le niveau de charge évoluer.

Cliquez sur "Charger" ou "Décharger" pour simuler l'accumulateur.

7. Courbes de charge et décharge

8. Exemples numériques expliqués

Exemple 1 – Énergie d'une batterie de perceuse

Données : batterie Li-ion, U = 18 V, C = 4 Ah

Calcul de l'énergie stockée :

\[ E = U \times C = 18 \times 4 = \mathbf{72 \text{ Wh}} \]

\[ E_{(J)} = 72 \times 3\,600 = 259\,200 \text{ J} \approx 259 \text{ kJ} \]

Exemple 2 – Autonomie d'une perceuse

Données : batterie 72 Wh, perceuse consommant P = 200 W

Calcul de l'autonomie :

\[ t = \frac{E}{P} = \frac{72 \text{ Wh}}{200 \text{ W}} = 0{,}36 \text{ h} \] \[ t = 0{,}36 \times 60 = \mathbf{21{,}6 \text{ min}} \]

Conclusion : La perceuse peut fonctionner environ 21 minutes avant que la batterie soit vide.

Exemple 3 – Temps de charge

Données : accumulateur de capacité C = 4 Ah, chargeur délivrant I = 2 A

\[ t = \frac{C}{I} = \frac{4 \text{ Ah}}{2 \text{ A}} = \mathbf{2 \text{ h}} \]

Un chargeur rapide de 4 A réduit ce temps à 1 heure.

9. Application aux métiers de l'agencement et de la menuiserie

Outillage sans fil sur chantier
Sur un chantier d'agencement, un compagnon utilise plusieurs outils :

Visseuse à percussion 18V – 5Ah : E = 18 × 5 = 90 Wh
Scie circulaire 18V – 6Ah : E = 18 × 6 = 108 Wh
Clé à chocs 18V – 4Ah : E = 18 × 4 = 72 Wh

Pour ne pas être en panne sur le chantier, il est conseillé d'avoir 2 batteries par outil : pendant qu'une est en charge, l'autre est utilisée.

Engins de manutention électriques en atelier
Les engins de manutention (chariots élévateurs, transtockeurs) utilisent de grandes batteries :

Batterie 48 V – 200 Ah → E = 48 × 200 = 9 600 Wh = 9,6 kWh
Une telle batterie peut alimenter un engin de 2 000 W pendant 9 600/2 000 = 4,8 h

10. À retenir

Formules clés du chapitre :

Capacité : \( C = I \times t \) (Ah = A × h)
Énergie stockée : \( E = U \times C = U \times I \times t \) (Wh)
Autonomie : \( t = \dfrac{E}{P} \) (heures, si E en Wh et P en W)
Conversion : 1 Wh = 3 600 J

À savoir expliquer :

Pile = source non rechargeable (réaction irréversible)
Accumulateur = source rechargeable (réaction réversible)
Anode (–) : oxydation (perd des électrons)
Cathode (+) : réduction (gagne des électrons)
Li-ion = meilleure densité d'énergie → privilégié pour les outils de chantier

Attention aux erreurs fréquentes

La capacité C s'exprime en Ah (ampères-heures), pas en A (ampères).
Pour calculer l'énergie en Wh : E = U × C (et non E = P × t sans tenir compte de U).
Ne pas confondre pile (non rechargeable) et accumulateur (rechargeable).
L'oxydation se passe à l'anode (–), la réduction à la cathode (+).
Les électrons circulent de l'anode vers la cathode dans le circuit extérieur (sens contraire au courant conventionnel).

11. Erreurs fréquentes

❌

Confondre capacité et intensité
La capacité C s'exprime en ampères-heures (Ah), pas en ampères (A). Une batterie de 5 Ah peut fournir 5 A pendant 1 heure, ou 1 A pendant 5 heures.
Conseil : toujours préciser l'unité Ah pour une capacité, A pour une intensité.

❌

Calculer l'énergie sans la tension
L'énergie se calcule avec E = U × C (en Wh). Utiliser seulement P × t sans tenir compte de la tension U est une erreur fréquente.
Conseil : relire les unités — si C est en Ah et U en V, alors E = U × C est en Wh.

❌

Inverser anode et cathode
L'oxydation se produit à l'anode (électrode négative –), la réduction à la cathode (électrode positive +). Inverser ces deux termes est une erreur classique.
Conseil : retenir "Anode = Oxydation" → les deux commencent par des voyelles.

❌

Confondre pile et accumulateur
Une pile est non rechargeable (réaction irréversible) ; un accumulateur est rechargeable (réaction réversible). Sur un chantier, on utilise des accumulateurs Li-ion, pas des piles.
Conseil : penser aux batteries d'outils électroportatifs → ce sont toujours des accumulateurs.

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Pile électrochimique