Une batterie au plomb est un accumulateur électrochimique dont les électrodes sont à base de plomb et l'électrolyte est un mélange d'eau et d'acide sulfurique. Cette batterie est généralement constituée de plusieurs cellules en série, afin d'obtenir la tension désirée, et réunies dans un même boîtier. Les électrodes sont des plaques ou grilles constituées d'un alliage de plomb dit « durci » (par exemple à l'aide d'étain, de cadmium et de strontium, à raison de quelques pour cent de l'alliage).
Ce système de « stockage » d'électricité est largement utilisé dans l'industrie, dans l'équipement des véhicules ferroviaires et automobiles (camions compris) mais aussi à chaque fois que l'on a besoin d'une énergie électrique immédiatement disponible (automobile, sous-marin).
Historique vignette|Vue en coupe d'une batterie de voiture avec ses 6 cellules reliées en série et ses plaques de plomb L'accumulateur au plomb a été inventé en 1854 par Wilhelm Josef Sinsteden. En 1859, le Français Gaston Planté a amélioré significativement l'accumulateur au plomb. Il a été en effet le premier à avoir mis au point la batterie rechargeable. À l'origine, les accumulateurs étaient situés dans des cuves en verre. Par la suite, on a systématisé l'emploi des cuves en plastique, qui résistent mieux aux chocs.
De nos jours, les batteries sans entretien se généralisent : cosses traitées anti-sulfatage, plaques au plomb-calcium, supprimant le besoin de refaire le niveau de liquide, et donc permettant le scellement.
Les batteries constituent aujourd'hui la principale utilisation du plomb. Cette technique simple et robuste est également très compétitive et reste en 2025 la principale technique pour les batteries de démarrage des véhicules thermiques. Ainsi, en 2010, les batteries au plomb représentaient plus de 99 % en tonnage des batteries utilisées dans l’automobileRapport annuel du registre des piles et accumulateurs 2011, sur ademe.fr.
En 2011, des chercheurs de l’université d'Helsinki et d'Uppsala sont parvenus pour la première fois à reproduire correctement à partir des principes premiers de la physique la tension nominale de qu'on observe pour l'accumulateur au plomb. La chimie classique, à elle seule, ne permettrait pas d'expliquer cette valeur. Selon eux, il faut inclure les effets de la relativité d'Einstein dans le calcul pour arriver à la valeur observée.
Caractéristiques techniques vignette|Schéma en coupe d'une batterie au plomb. Chaque cellule contient un assemblage de plaques de plomb (électrode négative en mode décharge) avec des plaques d'oxyde de plomb (électrode positive en mode décharge) Une batterie au plomb se caractérise essentiellement par : la tension nominale, U, qui dépend du nombre d'éléments, égale au nombre d'éléments multiplié par . Généralement, on considère qu'un accumulateur au plomb est déchargé lorsqu'il atteint la tension de par élément, donc une batterie de six éléments ou est déchargée lorsqu'elle atteint la tension de ) ; la capacité de stockage, notée Q, représente la quantité d'électricité disponible (ne pas confondre avec la capacité électrique). Elle s'exprime en ampère-heures ; le courant maximal qu'elle peut fournir pendant trente secondes, capacité de démarrage à froid ou courant de crête, exprimé en ampères CCA (ampères qu'elle peut délivrer à une température de .
Les valeurs maximales sont données par le constructeur pour une batterie neuve et chargée à 100 %, elles varient sensiblement en fonction de l'état de charge, se dégradent en fonction du temps ainsi que de l'usage qui est fait de la batterie.
Charge La charge est une dismutation forcée, les réactions électrochimiques aux électrodes étant les suivantes :
Décharge La décharge est une médiamutation spontanée, les réactions électrochimiques aux électrodes étant les suivantes :
Performances La batterie au plomb est celle qui a la plus faible énergie massique, , après la batterie nickel-fer. Mais comme elle est capable de fournir un courant crête de grande intensité, utile pour le démarrage électrique des moteurs à combustion interne, elle est encore très utilisée en particulier dans les véhicules automobiles et dans la plupart des véhicules ferroviaires. Elle présente aussi l'avantage de ne pas être sensible à l'effet mémoire.
Utilisation Les batteries au plomb peuvent être utilisées dans des applications mobiles (à bord de véhicules) ou stationnaires (pour alimenter des équipements fixes).
Dans le cas des applications mobiles, les batteries au plomb alimentent notamment les composants électriques des véhicules à moteur à combustion interne, particulièrement le démarreur électrique. Lorsque le moteur fonctionne, elle est rechargée par une dynamo ou un alternateur.
Historiquement, les batteries de voitures ou de motocyclettes faisaient le plus souvent (trois éléments). Depuis les années 1980, les batteries de (six éléments) sont généralisées sur les voitures et motocyclettes, alors que les véhicules lourds ou militaires utilisent le et finalement, les engins ferroviaires utilisent des groupes variant de en Suisse (deux batteries de en série), en France à dans la plupart des autres pays européens.
Les batteries au plomb sont également utilisées dans certains vehicules hybrides et électriques pour alimenter les équipements de bord du véhicule, indépendamment des batteries de traction qui sont quant à elles généralement de batteries lithium-ion.
Les batteries au plomb servent à alimenter toutes sortes de machines électriques, les équipements de sécurité et de mise en service ainsi que les éclairages de secours dans la plupart des trains. Elles sont principalement montées en groupes de six batteries de pour produire et sont redondantes en cas de panne d'un des deux groupes.
En application stationnaire, les batteries au plomb sont souvent utilisées dans des alarmes anti-intrusion, alarmes incendie ou éclairages de sécurité par phares (ou projeteurs) dans les grands bâtiments (usines, salles de sport). En général, elles peuvent être utilisées dans tout système qui a besoin d'une source d'alimentation de secours ayant besoin d'une bonne autonomie () et où le poids du plomb n'a pas d'importance. Pour ces usages, ce sont des batteries au « gel-plomb ». Elles présentent une différence par rapport aux batteries au plomb classiques (pour automobiles) : l'acide est contenu dans un gel de silice, ce qui permet d'utiliser la batterie dans toutes les positions (la matière ne coule pas). Elles sont bien adaptées à une utilisation en intérieur (pas ou très peu de dégagements de gaz) et pour des décharges lentes (faible intensité) et profondes, contrairement aux batteries à acide liquide qui sont prévues pour de fortes intensités et décharges partielles. Sur un véhicule, une fois le moteur démarré, la batterie est mise en charge aussitôt par l'alternateur.
Ces batteries peuvent aussi servir à stocker de l'énergie produite par intermittence, comme l'énergie solaire ou éolienne.
Inconvénients des batteries au plomb Les batteries au plomb-acide ont donc été largement utilisées pendant de nombreuses années, cependant, elles ont également plusieurs inconvénients.
Tout d'abord, elles sont relativement lourdes et volumineuses, ce qui peut poser des problèmes pour leur transport et leur stockage. Elles sont également coûteuses à produire, ce qui peut rendre leur utilisation coûteuse à long terme.
En outre, les batteries au plomb-acide sont sensibles aux fuites et peuvent être dangereuses si elles sont endommagées ou manipulées de manière inappropriée. Elles peuvent également être nocives pour l'environnement, car elles contiennent du plomb, un métal lourd qui peut être toxique pour les êtres humains et les animaux.
Enfin, ces batteries ont une durée de vie limitée et perdent de leur efficacité au fil du temps (leur durée de vie moyenne est de 3 à 5 ans). Elles doivent être remplacées régulièrement, ce qui peut être coûteux et fastidieux.
Charge de la batterie On charge une batterie au plomb en lui appliquant un courant continu d'une valeur quelconque (sous réserve de limites technologiques liées à la batterie elle-même ou à ses connexions), pourvu qu'elle n'entraîne pas aux bornes de la batterie l'apparition d'une tension supérieure à par élément (valeur à ). vignette|Chargeur de batteries auto. L'intensité diminue lorsque la recharge se termine L'application de cette règle conduit à constater dans la pratique deux phases de charge successives : La phase dite « CC » (Constant Current ou Courant Constant) au cours de laquelle la tension par élément est inférieure à malgré l'application du courant maximum dont est capable le chargeur : le courant est déterminé par le chargeur, et la tension par la batterie. La tension aux bornes de chaque élément augmente au fur et à mesure que la batterie se recharge ; La phase dite « CV » (Constant Voltage ou « TC » Tension Constante), dite aussi « phase d'absorption » commence dès que la tension par élément atteint la valeur de par élément puisque l'application de la consigne ci-dessus conduit le chargeur (son système asservi le transformant en un générateur de tension) à ajuster le courant de telle sorte que la tension reste égale à par élément alors que la batterie continue d'être chargée. Le courant au cours de cette phase est donc une fonction décroissante du temps. Il tend théoriquement vers 0 asymptotiquement.
En fin de charge, le courant en phase CV ne s'annule pas. Il se stabilise à une valeur faible mais non nulle qui n'accroît plus l'état de charge mais électrolyse l'eau de l'électrolyte. On préconise donc d'interrompre la charge, ou, si l'on veut appliquer une charge permanente (dite d'entretien ou de « », afin de compenser le phénomène d'auto-décharge), de baisser la tension de consigne à une valeur de l'ordre de par élément.
La charge CC/CV s'est généralisée car elle seule permet de charger à fort courant (donc rapidement) sans endommager la batterie. Ce mode de charge est utilisé dans toutes les automobiles : en , le courant de charge dépend essentiellement de la vitesse de rotation de l'alternateur (et donc du moteur). En , la tension de consigne est maintenue par l'asservissement que constitue le régulateur de tension. Celui-ci diminue en effet le courant d'excitation de l'alternateur, de façon que le courant de sortie de l'alternateur n'ait jamais pour résultat une tension supérieure à par élément (avec une légère correction en fonction de la température).
Lorsque, dans le cas de chargeurs bon marché, on ne dispose pas d'un chargeur capable de limiter sa tension à la valeur de consigne correspondant à par élément, on recommande de limiter la valeur du courant de charge (en ampères) à, par exemple, 10 % de la valeur de la capacité de la batterie (en ampères-heure), afin de minimiser les conséquences dommageables du dépassement de tension qui risque de se produire en fin de charge (ainsi que les conséquences néfastes pour la durée de vie des électrodes).
La tension de par élément est appelée « V ». Elle correspond à la tension à laquelle l'électrolyte sous forme liquide, s'électrolyse ().
Une batterie ne doit jamais être déchargée à moins de 20 % de sa capacité nominale. La tension n'est pas une référence fiable dans le temps, puisque plus la batterie est âgée, plus la tension a tendance à baisser.
Décharge de la batterie Selon la loi de Peukert, plus on décharge vite une batterie, moins sa capacité est importante.
Dégradation Les principales causes de dégradation des batteries sont : la décharge complète ; le court-circuit ; le cyclage (nombre de cycles complets de charge-décharge) ; l'oxydation des électrodes ; l'oxydation des bornes.
Sulfatation