Causes de défaillance des batteries au plomb et leurs méthodes de réparation

Depuis l'invention de la batterie plomb-acide par le scientifique français Gaston Planté en 1859, celle-ci a été largement utilisée dans les transports, les communications, l'énergie, les chemins de fer, l'exploitation minière, les ports, la défense, l'informatique et la recherche scientifique, grâce à sa grande sécurité, son faible coût et son excellente recyclabilité. Elle demeure le type de batterie le plus produit et le plus polyvalent au monde.

Batteries au plomb-acideElles offrent de nombreux avantages dans leurs applications : faible coût, technologie mature, excellentes performances à haute et basse température, stabilité, fiabilité, sécurité élevée et bonne recyclabilité des ressources, ce qui leur confère un avantage concurrentiel certain. En 2020, le marché chinois des batteries plomb-acide a atteint 165,9 milliards de yuans, en croissance de 4,65 % sur un an.

À mesure que la part de marché augmente, des problèmes tels que la consommation énergétique massive lors de la production et du recyclage, ainsi que les milliards de batteries mises au rebut chaque année, causant une grave pollution environnementale, se sont intensifiés. L'entretien et la réparation des batteries usagées pour en optimiser l'efficacité et la durée de vie sont devenus une priorité mondiale.

Dans les pays occidentaux développés, des dizaines de milliers de personnes travaillent à l'entretien, à la réparation et au recyclage des batteries plomb-acide, générant des milliards de dollars de revenus annuels. Le Japon emploie plus de 100 000 personnes dans ce secteur, générant également des milliards de dollars.

En Chine, pour promouvoir la conservation de l'énergie et la protection de l'environnement, une taxe de consommation de 4 % sur les batteries au plomb-acide a été imposée à compter du 1er janvier 2016. La "Politique technique sur la prévention de la pollution par les batteries usagées" de l'Administration nationale de la protection de l'environnement, NDRC, ministère de la Construction, MOST et MOFCOM encourage la R&D pour un recyclage efficace, augmentant ainsi les taux de récupération des ressources.

Les experts constatent que la dégradation des performances et les pannes prématurées sont principalement dues à la formation de cristaux de sulfate de plomb sur les plaques pendant l'utilisation, ce qui augmente la résistance interne et réduit la capacité, réduisant ainsi la durée de vie. Des techniques éprouvées de réparation des batteries plomb-acide permettent de prolonger leur durée de vie, de réduire les coûts, de limiter les déchets tels que le plomb et l'acide sulfurique dilué, de diminuer les émissions de CO2 et de préserver les ressources, conformément aux principes du développement durable.

À l'ère de la consommation énergétique croissante et de la pollution des batteries, la réutilisation des déchets, la prolongation de leur durée de vie grâce aux technologies de réparation, la réduction des rejets et la promotion de solutions durables revêtent une importance capitale. Les technologies de réparation transforment les déchets en trésors, s'intègrent aux politiques nationales, stimulent l'économie tout en favorisant les économies d'énergie et la réduction des émissions, et contribuent à la protection de l'environnement, le tout en étant appelé à être largement adopté.

Pour comprendre la réparation des batteries au plomb-acide, comprenez d’abord les raisons de la panne, puis abordez les méthodes de réparation en conséquence.

ÉchecRaisons de batteries au plomb-acide

En raison des variations dans les types de plaques, leur fabrication et leur utilisation, les causes de défaillance diffèrent.raisons comprennent :

1. Corrosion et déformation des plaques positives

Les alliages actuels se répartissent en trois catégories : les alliages plomb-antimoine traditionnels (4 à 7 % d'antimoine) ; les alliages à faible/ultra-faible teneur en antimoine (< 2 % ou < 1 %, avec étain, cuivre, cadmium, soufre) ; et les alliages plomb-calcium (0,06 à 0,1 % de calcium, avec étain et aluminium). Lors de la charge, ces alliages de grille s'oxydent en sulfate de plomb et en PbO2, ce qui entraîne une perte de support pour les matériaux actifs et une défaillance. Les couches de corrosion de PbO2 induisent des contraintes, élargissant les grilles ; une déformation supérieure à 4 % détruit les plaques, détache les matériaux actifs ou provoque des courts-circuits au niveau des jeux de barres.

2. Détachement et ramollissement des matériaux actifs de la plaque positive

Au-delà de l'expansion de la grille, les cycles de charge-décharge répétés desserrent les liaisons des particules de PbO₂, provoquant leur ramollissement et leur décollement. La fabrication de la grille, l'étanchéité de l'assemblage et les conditions de charge-décharge influencent ce phénomène.

3. Sulfatation irréversible

Une décharge excessive et un stockage prolongé à l'état déchargé forment des cristaux grossiers et difficiles à charger de sulfate de plomb sur les plaques négatives. Les cas bénins sont guéris par des méthodes appropriées ; les cas graves rendent les électrodes inertes.

4. Perte prématurée de capacité

Avec des grilles à faible teneur en antimoine ou en plomb-calcium, la capacité chute brutalement après environ 20 cycles, provoquant une défaillance prématurée.

5. Forte accumulation d'antimoine sur les matériaux actifs

L'antimoine migre des grilles positives vers les surfaces actives négatives au cours des cycles. Une surtension de réduction H+ plus faible (~200 mV) sur l'antimoine accélère la décomposition de l'eau, empêchant une charge normale et entraînant une défaillance. Des tests montrent une présence de 0,12 à 0,19 % d'antimoine sur les surfaces négatives défaillantes à une tension de charge de 2,30 V. Dans les batteries sous-marines, l'excès d'hydrogène se lie à une concentration moyenne de 0,4 % d'antimoine.

6. Défaillance thermique

Pour les batteries nécessitant peu d'entretien, la tension de charge ne doit pas dépasser 2,4 V/élément. Des régulateurs défectueux peuvent provoquer des pics de tension, une surchauffe de l'électrolyte, une chute de résistance et une amplification du courant lors d'un cycle incontrôlable, déformant ou fissurant la batterie. Bien que rares, il est important de surveiller les surtensions et la chaleur.

7. Corrosion des barres omnibus négatives

Les grilles et les jeux de barres négatifs se corrodent rarement, mais dans les batteries scellées à régulation par soupape, les cycles d'oxygène remplissent l'espace libre ; l'électrolyte s'infiltre dans les jeux de barres via les languettes, oxydant les alliages en sulfate de plomb. Des soudures de mauvaise qualité accélèrent ce phénomène, détachant les languettes et provoquant la défaillance des négatifs.

8. Courts-circuits dus à une perforation du séparateur

Certains séparateurs, comme le PP, ont de grands pores ; les fusibles à fusion déplacés créent de grands trous, permettant aux matériaux actifs de passer pendant les cycles, provoquant des micro-courts-circuits et des défaillances.

Facteurs affectant la durée de vie des batteries au plomb

Les défaillances résultent de facteurs intrinsèques (composition du matériau actif, type de cristal, porosité, taille des plaques, matériau/structure de la grille) et extrinsèques (densité de décharge, concentration/température de l'électrolyte, profondeur de décharge, maintenance, stockage). Principaux facteurs externes :

1. Profondeur de décharge

Il s'agit de la durée de décharge avant l'arrêt (100 % = pleine capacité). La durée de vie est très variable ; les batteries à décharge profonde conviennent à une utilisation superficielle, mais celles à décharge profonde se détériorent rapidement en cas de décharge profonde. Les liaisons PbO₂ s'affaiblissent sous l'effet des variations de volume : la conversion de PbO₂ en PbSO₄ augmente de 95 % du volume molaire. Une décharge superficielle (par exemple, 20 %) minimise l'expansion/contraction, ralentissant ainsi la dégradation ; une décharge plus profonde raccourcit les cycles.

2. Étendue de la surfacturation

L'excès de dégagement de gaz a un impact sur les matériaux actifs positifs, favorisant la desquamation ; les alliages de grille se corrodent par oxydation anodique, réduisant ainsi leur durée de vie.

3. Effets de la température

La durée de vie augmente généralement avec la température jusqu'à 50 °C : +5 à 6 cycles par 1 °C de 10 à 35 °C ; +25 cycles par 1 °C de 35 à 45 °C. Au-delà de 50 °C, la sulfatation négative réduit la capacité. Des températures plus élevées augmentent la capacité, réduisant la profondeur effective de décharge fixe et prolongeant ainsi la durée de vie.

4. Effets de la concentration en acide sulfurique

Une densité plus élevée favorise la capacité positive mais augmente l'autodécharge, la corrosion de la grille et le desserrage/la perte de PbO2, raccourcissant ainsi les cycles.

5. Effets de la densité de courant de décharge

Une densité plus élevée réduit la durée de vie en accélérant le desserrage du PbO2 dans des conditions de courant/acide élevé.

La perte d'eau n'est pas un échecraisonPour les batteries ventilées (entretien normal) ou scellées (évitable). Sur les batteries scellées de vélos électriques, ce phénomène est dû à une charge excessive à tension constante.

Méthodes de réparation pour la perte prématurée de capacité (PCL)

(A) Caractéristiques du PCL

Dans les batteries à grille à faible teneur en antimoine ou au plomb-calcium, la capacité chute d'environ 5 % par cycle après environ 20 cycles, provoquant une défaillance prématurée. Les batteries au plomb-calcium présentent souvent des chutes inexpliquées dans quelques cellules ; les positives ne sont pas affaiblies, mais la capacité est faible.

(B) Solutions aux causes

1. Optimiser la teneur en étain de la plaque positive (1,5 à 2 % pour les cycles profonds).
2. Augmenter la pression d’assemblage.
3. Évitez les teneurs élevées en acide électrolytique.

(C) Précautions d'emploi

1. Évitez les courants de charge initiaux faibles et soutenus.
2. Minimiser les décharges profondes.
3. Limitez les surcharges.
4. N'augmentez pas la capacité en utilisant une quantité élevée de matière active.

(D) Récupération des batteries affectées par le PCL

Commencez avec un courant de 0,3 à 0,5 C, puis chargez lentement jusqu'à pleine capacité. Stockez les batteries chargées entre 40 et 60 °C ; déchargez-les à < 0,05 C jusqu'à 0 V (lentement après la moitié de la tension nominale). Répétez l'opération pour restaurer la capacité.

(E) Notes

Confirmer la PCL lors des 20 premiers cycles ; les chutes ultérieures s'aggravent avec cette méthode, affaiblissant les positifs. Dans les batteries plomb-calcium, le déséquilibre dû aux chargeurs constants basse tension pose problème : une autodécharge inégale entraîne une sous-charge chronique de certaines cellules (sulfatation) et une surcharge d'autres. Utiliser des chargeurs multi-étages avec des courants/tensions variables, aboutissant à une charge équilibrée haute tension/faible courant.

Réparation de surcharge

La surcharge exige un courant/une tension élevé(e), ce qui provoque des réactions secondaires, des dommages positifs et une perte d'eau. La charge par impulsions est une méthode efficace et non dommageable : les impulsions haute tension/courant compensent la baisse d'acceptation sans réactions prolongées, exploitant la dépolarisation (ou les aides) de la batterie après l'impulsion. Cela permet une surcharge sûre, et les chargeurs ont prouvé depuis des années qu'ils prolongent considérablement la durée de vie de la batterie.