Merci au magnésium pour les piles activées par l’eau

La plupart des piles que nous utilisons de nos jours, qu’elles soient rechargeables ou non, sont généralement autonomes. Ils sont livrés dans un emballage scellé, avec l’anode, la cathode et l’électrolyte tous enveloppés dans un boîtier en plastique ou en métal solide. Tous les produits chimiques réactifs restent à l’intérieur.

Cependant, une certaine classe de batteries au magnésium est fabriquée dans un état sec et non réactif. Pour allumer ces batteries, il suffit d’ajouter de l’eau ! Jetons un coup d’œil à ces appareils utiles et explorons certaines de leurs applications.

Ajoutez simplement de l’eau

Stockées dans un emballage scellé avec un déshydratant approprié, les piles activées à l’eau peuvent durer des années sur l’étagère sans perdre de capacité appréciable. Crédit : JonathanLamb, domaine public

Les piles au magnésium activées par l’eau sont disponibles dans une variété de types et de formats, mais les différents styles disponibles partagent tous des attributs communs. Ils utilisent tous une anode en magnésium et s’appuient sur des solutions aqueuses comme électrolyte. Les sélections typiques impliquent de l’eau douce ou de l’eau de mer, bien que des préparations personnalisées puissent être utilisées pour faire varier les caractéristiques de performance de la batterie.

Le principal avantage de ces batteries est qu’elles peuvent être produites de manière entièrement « sèche ». L’anode de magnésium et les diverses cathodes de sel utilisées sont toutes des matériaux à l’état solide. Sans l’électrolyte de l’eau en place, ils peuvent rester tranquillement sur l’étagère pendant des années sans se dégrader. C’est un grand avantage par rapport aux batteries traditionnelles que nous utilisons tous les jours, qui commencent le processus d’autodécharge dès qu’elles sont fabriquées. Les batteries au magnésium ont également une autodécharge élevée, mais sans l’électrolyte en place, la batterie n’est pas complète et cela ne se produit tout simplement pas. Cependant, cela signifie qu’il s’agit de piles à usage unique qui fonctionnent généralement pendant des minutes ou des heures au maximum.

Les batteries sont disponibles dans une gamme de chimies, les batteries magnésium-chlorure d’argent étant le meilleur choix pour les applications de performance. En pratique, elles offrent typiquement des densités de puissance allant jusqu’à 100 à 150 Wh/kg, à égalité avec les batteries lithium-ion, qui peuvent délivrer 100 à 265 Wh/kg. Des produits chimiques alternatifs sont souvent choisis pour leur moindre coût, le chlorure de cuivre et le chlorure de plomb étant parmi les plus couramment utilisés. Les cellules construites avec ces matériaux cathodiques sont beaucoup moins chères en raison du manque d’argent, mais ne peuvent pas fournir la même puissance. En règle générale, elles consomment environ 50 à 80 Wh/kg et ne peuvent pas fournir le même courant que les cellules à base de chlorure d’argent. Selon la chimie, les tensions en circuit ouvert varient d’environ 1,0 à 1,7 V, avec des tensions plus élevées obtenues en empilant plusieurs cellules ensemble.

Différentes configurations

Une batterie activée par l’eau telle qu’utilisée dans les radiosondes. Crédit : JonathanLamb, domaine public

L’eau peut être ajoutée à la batterie de différentes manières, en fonction de l’application souhaitée. Les batteries dites « dunk » ont des anodes et des cathodes séparées par des membranes poreuses et absorbantes. Ils peuvent simplement être plongés dans un seau d’eau pour les activer, ou remplis d’eau manuellement, et fonctionnent généralement pendant plusieurs heures. Les batteries Dunk sont souvent utilisées sur les radiosondes et autres équipements qui bénéficient d’une conception de batterie avec une longue durée de vie et sans teneur en métaux lourds, car elles finissent souvent dans l’environnement.

Ils sont généralement stockés dans des emballages hermétiques avec un déshydratant pour faire bonne mesure. En cas de besoin, le pack peut être ouvert, la batterie rechargée et elle est prête à l’emploi. Ils fonctionneront tant que l’électrolyte est présent ou que la cathode et andoe ont encore des ions à donner.

Lorsqu’il est utilisé dans des conditions extrêmes, l’électrolyte peut bouillir ou geler, et la batterie cessera de fournir de l’électricité. Cependant, la chaleur générée par la propre réaction chimique de la batterie peut parfois fournir suffisamment de chaleur pour éviter le gel, ce qui rend ces batteries capables de fonctionner dans des conditions de basse température.

Les batteries à immersion sont destinées à être utilisées entièrement immergées, comme leur nom l’indique. Les applications impliquent généralement des équipements pour les urgences maritimes. Dans ces rôles, la longue durée de vie stable est payante et il y a généralement de l’eau en abondance autour pour servir d’électrolyte. Ils sont couramment utilisés pour alimenter les lumières de secours des gilets de sauvetage transportés dans les avions de ligne, avec une petite quantité de sel souvent incluse dans la batterie pour permettre de bonnes performances même si le porteur atterrit dans un lac d’eau douce. D’autres utilisations incluent l’alimentation des radios et des balises sur les canots de sauvetage, ainsi que les bouées acoustiques, qui passent leur vie sous l’eau.

La torpille Mark 44 utilisait une batterie au chlorure de magnésium et d’argent pour alimenter ses systèmes de propulsion et de recherche. Crédit : Megapixie, domaine public

Les batteries activées par l’eau les plus performantes sont du type à flux forcé, principalement utilisées pour alimenter la propulsion et l’électronique des torpilles. Ceux-ci profitent du fait que le mouvement vers l’avant de la torpille peut forcer de l’eau douce salée à travers la batterie, réapprovisionnant continuellement l’électrolyte. Cela sert également à refroidir la batterie, en la maintenant à une température stable pour de meilleures performances.

Les batteries au chlorure de magnésium et d’argent à flux forcé ont été construites dans des configurations de centaines de cellules en série, fournissant des dizaines à des centaines de kilowatts de puissance. Les durées d’exécution sont généralement de l’ordre de 5 à 15 minutes, ce qui est généralement plus que suffisant pour qu’une torpille trouve sa cible et explose. Ces batteries ont pris leur essor au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, bien qu’elles aient été progressivement supprimées par d’autres solutions dans du matériel plus moderne.

D’autres utilisations obscures existent également pour ces batteries. Il existe des pilules intelligentes qui comportent une minuscule cellule de magnésium-cuivre à l’intérieur. En entrant en contact avec l’acide gastrique, la cellule commence à fournir de l’électricité à un petit circuit qui envoie un message radio indiquant que la pilule a commencé la digestion. La cellule elle-même est digérée comme n’importe quel autre minéral dans l’estomac, et le circuit émetteur est expulsé du corps en tant que déchet.

Adaptée à l’objectif

Ces piles ne sont pas quelque chose que la plupart d’entre nous utiliseraient quotidiennement. Leur méthode d’activation est relativement désordonnée par rapport aux batteries conventionnelles, et la plupart d’entre nous n’ont pas besoin d’une batterie pour maintenir des performances optimales après avoir été assis sur une étagère pendant cinq ou dix ans. Cependant, dans un large éventail de contextes scientifiques, militaires et industriels, ils sont incroyablement utiles. Dans ces contextes, où il est important d’avoir une batterie prête à l’emploi après une longue période de repos, il est difficile de contester la capacité des batteries au magnésium activées par l’eau.

Photo de titre : « Photo en gros plan de batteries » par Hilary Halliwell. Vignette : « batteries mortes » par John Seb Barber