Les cellules Leclanche perdent plus rapidement leurs performances a basse temperature que les cellules au chlorure de zinc. Lorsque la temperature descend en dessous de 0 °C, la conductivite de l'electrolyte et la cinetique des reactions diminuent, ce qui entraine une hausse de la resistance interne et une baisse de la capacite de decharge utilisable. Lors des essais environnementaux, les cellules Leclanche conservent environ 65 % de leur capacite a temperature ambiante a 0 °C et peuvent devenir effectivement inutilisables en dessous de −20 °C ; les cellules au chlorure de zinc conservent environ 80 % a 0 °C, car leur electrolyte reste fluide sur une plage inferieure a zero plus etendue.
La principale difference reside dans le comportement de l'electrolyte : les deux systemes subissent une hausse de la resistance et une baisse de la capacite dans le froid, mais les cellules au chlorure de zinc maintiennent generalement leurs performances de decharge plus longtemps, car leur electrolyte concentre resiste plus efficacement a la formation de bouillie et au gel que l'electrolyte des cellules Leclanche classiques.
Pourquoi les temperatures inferieures a zero augmentent la resistance interne
Reduction de la conductivite ionique
Les basses temperatures augmentent la viscosite de l'electrolyte et reduisent la mobilite des ions. Les ions se deplacent donc plus difficilement entre les electrodes, ce qui augmente la resistance interne de la cellule.
Il en resulte une chute de tension plus importante sous charge, meme lorsque la cellule contient encore des matieres actives chimiquement disponibles.
Ralentissement des reactions electrochimiques
Les basses temperatures ralentissent egalement la cinetique des reactions aux electrodes. La cellule se polarise donc plus facilement pendant la decharge, ce qui reduit le plateau de tension et empeche l'utilisation complete des matieres actives.
C'est pourquoi la capacite mesuree depend a la fois de la temperature et du taux de decharge. Les charges a courant eleve mettent davantage en evidence l'augmentation de la resistance que les charges a faible courant.
Augmentation de la resistance dans les cellules Leclanche
Pour une cellule Leclanche representative de taille D, la resistance interne peut passer d'environ 0,5 Ω a 20 °C a environ 2 Ω a −20 °C.
Cette augmentation d'un facteur quatre amplifie considerablement la chute de tension induite par la charge. Une cellule peut encore afficher une tension en circuit ouvert tout en etant incapable de fournir une puissance utile dans des conditions de decharge pratiques.
Evolution de la capacite de decharge
Performances des cellules Leclanche
Les cellules Leclanche presentent generalement une reduction marquee de leur capacite lorsque la temperature approche du point de congelation et descend en dessous de celui-ci.
A 0 °C, la capacite disponible peut tomber a environ 65 % de sa valeur a temperature ambiante. En dessous d'environ −20 °C, la cellule peut devenir pratiquement inutilisable, car la combinaison d'une resistance elevee, de reactions lentes et de la solidification de l'electrolyte empeche une decharge efficace.
Performances des cellules au chlorure de zinc
Les cellules au chlorure de zinc offrent generalement de meilleures performances de decharge a des temperatures inferieures a zero. A 0 °C, elles peuvent conserver environ 80 % de leur capacite a temperature ambiante, selon la charge specifiee et la methode d'essai.
Leur avantage ne signifie pas qu'elles sont insensibles au froid. La resistance augmente toujours et la capacite diminue toujours, mais la degradation est moins severe dans la premiere plage de temperatures inferieures a zero.
Role de la concentration de l'electrolyte
Les formulations au chlorure de zinc utilisent generalement environ 25 a 30 % en masse de chlorure de zinc. Cet electrolyte forme typiquement une bouillie vers −20 °C et gele vers −25 °C.
Ces limites expliquent le profil de performance : les cellules au chlorure de zinc peuvent surpasser les cellules Leclanche autour de 0 °C et dans des conditions moderement inferieures a zero, mais leur avantage diminue fortement lorsque la formation de bouillie et le gel commencent.
Ce que revelent les essais environnementaux
La capacite est une mesure dependant des conditions d'essai
La « capacite » n'est pas une valeur fixe independante de la temperature. Elle depend de la tension de coupure, du courant de decharge, du cycle de fonctionnement, de la taille de la cellule et de son historique thermique.
Une cellule testee a faible courant continu peut fournir une capacite apparente superieure a celle de la meme cellule testee avec des impulsions de courant eleve a la meme temperature.
La resistance revele plus tot les defaillances pratiques
Les mesures de resistance revelent souvent la degradation a basse temperature avant la fin d'un essai de capacite. Lorsque la resistance augmente, la tension aux bornes s'effondre plus rapidement lors de l'application de la charge.
Les essais doivent donc suivre a la fois la resistance interne totale et la reponse de la tension sous charge, plutot que de se baser uniquement sur le nombre d'amperes-heures fournis.
Les enceintes environnementales sont essentielles
Une enceinte controlee permet a la cellule de s'equilibrer a une temperature definie avant et pendant la decharge. Cela permet de distinguer les effets reels de la temperature des gradients thermiques temporaires ou de l'auto-echauffement.
Un systeme d'essai adapte doit enregistrer la temperature, le courant, la tension aux bornes, les evenements de coupure ainsi que la resistance ou le comportement de la tension d'impulsion pendant toute la duree de l'essai.
Comparaison des deux systemes
Leclanche : sensibilite accrue a la temperature
Les cellules Leclanche sont plus vulnerables a l'augmentation de la resistance et a la perte de capacite induites par le froid. Leurs performances peuvent se degrader fortement a 0 °C et devenir pratiquement inutilisables en dessous de −20 °C.
Elles sont donc moins adaptees lorsque leur fonctionnement fiable est requis pendant une exposition prolongee a des temperatures inferieures a zero.
Chlorure de zinc : performances ameliorees mais limitees
Les cellules au chlorure de zinc offrent de meilleures capacites a basse temperature, car leur electrolyte reste utilisable a des temperatures plus basses avant la formation de bouillie ou le gel.
Cependant, « meilleur » ne signifie pas « resistant au froid ». Lorsque l'electrolyte approche de sa plage de formation de bouillie ou de gel, la resistance interne augmente fortement et la capacite de decharge diminue rapidement.
Comprendre les compromis
Capacite a basse temperature et limites de formulation
L'augmentation de la concentration de l'electrolyte peut abaisser le point de congelation et ameliorer les performances a froid, mais chaque formulation possede toujours une limite thermique pratique.
Les limites approximatives de formation de bouillie et de gel du systeme au chlorure de zinc doivent etre considerees comme des contraintes de fonctionnement, et non simplement comme des observations de laboratoire.
Maintien de la capacite et taux de decharge
Les valeurs de capacite de 65 % et 80 % indiquees sont des resultats representatifs d'essais environnementaux et non des specifications universelles. Des taux de decharge plus eleves entrainent generalement une perte apparente de capacite plus importante, car l'augmentation de la resistance provoque l'atteinte plus rapide de la tension de coupure.
Donnees de resistance et donnees de capacite
Une mesure de resistance n'est pas directement equivalente a la capacite disponible. Elle indique l'ampleur de la reponse de la tension aux bornes de la cellule a une charge, tandis que l'essai de capacite mesure la duree pendant laquelle la cellule peut maintenir une condition de decharge definie.
Les deux mesures sont necessaires pour distinguer l'epuisement chimique de la limitation de puissance induite par le froid.
Eviter les comparaisons trompeuses
Les cellules Leclanche et au chlorure de zinc doivent etre comparees avec la meme taille de cellule, le meme temps de stabilisation thermique, le meme profil de decharge, la meme tension de coupure et la meme methode de mesure.
Dans le cas contraire, un avantage apparent de la chimie peut en realite provenir de conditions d'essai differentes.
Faire le bon choix selon votre objectif
Le systeme approprie depend de la question de savoir si l'application privilegie le cout nominal et le fonctionnement a temperature ordinaire, ou une puissance durable dans des environnements froids.
- Si votre priorite est le fonctionnement interieur ordinaire : les cellules Leclanche peuvent convenir, mais prevoyez une perte de capacite significative lorsque la temperature approche de 0 °C.
- Si votre priorite est la capacite de decharge a des temperatures inferieures a zero : privilegiez les cellules au chlorure de zinc, qui conservent generalement davantage de capacite et une resistance effective plus faible autour de 0 °C.
- Si votre priorite est le fonctionnement en dessous de −20 °C : considerez les deux chimies comme thermiquement limitees et verifiez experimentalement leurs performances, car la formation de bouillie, le gel de l'electrolyte et l'augmentation de la resistance peuvent empecher une decharge utile.
- Si votre priorite est la qualification environnementale : mesurez la capacite en meme temps que la resistance interne et la chute de tension induite par la charge sur un profil de temperature controle.
Pour les applications en environnement froid, le chlorure de zinc constitue generalement le meilleur choix, mais seuls des essais controles en temperature peuvent etablir la limite reelle de fonctionnement de la cellule.
Tableau recapitulatif :
| Parametre | Cellules Leclanche | Cellules au chlorure de zinc |
|---|---|---|
| Maintien de la capacite a 0 °C | ~65 % de la capacite a temperature ambiante | ~80 % de la capacite a temperature ambiante |
| Augmentation de la resistance interne | ~0,5 Ω a 20 °C a ~2 Ω a −20 °C (augmentation d'un facteur 4) | Meilleure stabilite de la resistance a des temperatures moderement inferieures a zero |
| Limite de temperature basse utilisable | Devient inutilisable en dessous d'environ −20 °C | Fonctionne jusqu'a la formation de bouillie de l'electrolyte ( |
| Comportement de l'electrolyte | Plus sujet a l'augmentation de la viscosite et au gel | L'electrolyte concentre resiste mieux a la formation de bouillie et au gel |
| Adaptation a l'utilisation a des temperatures inferieures a zero | Moins adapte au fonctionnement prolonge dans le froid | Generalement prefere pour ses meilleures performances a basse temperature |
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