Le terme batterie fait référence à un ensemble d'individus cellules, qui peut générer de l'électricité par des réactions chimiques. Les cellules sont classées comme primaire or secondaire. Dans les cellules primaires, les réactions chimiques qui produisent le flux d'électrons ne sont pas réversibles et, par conséquent, les cellules ne se rechargent pas facilement. Inversement, les cellules secondaires doivent être chargées avant leur utilisation, ce qui est réalisé en faisant passer un courant électrique à travers la cellule. Les piles secondaires ont l'avantage de pouvoir souvent être rechargées et déchargées à plusieurs reprises au fil de l'utilisation.

La pile primaire classique utilisée au quotidien est la pile sèche Leclanché, ainsi appelée parce que l'électrolyte est une pâte et non un liquide. La cellule Leclanché est caractérisée par les piles cylindriques utilisées dans les lampes de poche, les radios portables, les calculatrices, les jouets électriques, etc. Ces dernières années, les piles alcalines, telles que la pile au dioxyde de zinc-manganèse, sont devenues plus courantes pour ce type d'utilisation. Les piles miniatures ou "boutons" ont trouvé une utilisation dans les appareils auditifs, les ordinateurs, les montres, les appareils photo et autres équipements électroniques. La cellule oxyde d'argent-zinc, la cellule mercure, la cellule zinc-air et la cellule lithium-dioxyde de manganèse en sont quelques exemples. Voir la figure 1 pour une vue en coupe d'une pile alcaline miniature typique.

Figure 1. Vue en coupe d'une pile alcaline miniature

La batterie secondaire ou de stockage classique est la batterie au plomb, largement utilisée dans l'industrie des transports. Les batteries secondaires sont également utilisées dans les centrales électriques et l'industrie. Les outils rechargeables fonctionnant sur batterie, les brosses à dents, les lampes de poche et autres sont un nouveau marché pour les piles secondaires. Les cellules secondaires au nickel-cadmium sont de plus en plus populaires, en particulier dans les cellules de poche pour l'éclairage de secours, le démarrage diesel et les applications stationnaires et de traction, où la fiabilité, la longue durée de vie, la recharge fréquente et les performances à basse température l'emportent sur leur coût supplémentaire.

Les batteries rechargeables en cours de développement pour une utilisation dans les véhicules électriques utilisent du sulfure de lithium-ferreux, du zinc-chlore et du sodium-soufre.

Le tableau 1 donne la composition de quelques batteries courantes.

Tableau 1. Composition des batteries courantes

Processus de manufacture

Bien qu'il existe de nettes différences dans la fabrication des différents types de batteries, plusieurs processus sont communs : pesage, broyage, mélange, compression et séchage des ingrédients constitutifs. Dans les usines de batteries modernes, bon nombre de ces processus sont fermés et hautement automatisés, à l'aide d'équipements scellés. Par conséquent, l'exposition aux divers ingrédients peut se produire pendant la pesée et le chargement et pendant le nettoyage de l'équipement.

Dans les anciennes usines de batteries, de nombreuses opérations de broyage, de mélange et autres sont effectuées manuellement, ou le transfert d'ingrédients d'une étape du processus à une autre est effectué manuellement. Dans ces cas, le risque d'inhalation de poussières ou de contact cutané avec des substances corrosives est élevé. Les précautions pour les opérations produisant de la poussière comprennent l'enceinte totale et la manipulation et le pesage mécanisés des poudres, la ventilation par aspiration locale, le nettoyage quotidien et/ou l'aspiration et le port de respirateurs et d'autres équipements de protection individuelle pendant les opérations de maintenance.

Le bruit est également un danger, car les machines de compression et les emballeuses sont bruyantes. Les méthodes de contrôle du bruit et les programmes de préservation de l'ouïe sont essentiels.

Les électrolytes de nombreuses batteries contiennent de l'hydroxyde de potassium corrosif. L'enceinte et la protection de la peau et des yeux sont des précautions indiquées. Des expositions peuvent également se produire aux particules de métaux toxiques tels que l'oxyde de cadmium, le mercure, l'oxyde mercurique, le nickel et les composés du nickel, et le lithium et les composés du lithium, qui sont utilisés comme anodes ou cathodes dans certains types de batteries. La batterie d'accumulateurs au plomb, parfois appelée accumulateur, peut impliquer des risques considérables d'exposition au plomb et est discutée séparément dans l'article "Fabrication de batteries au plomb".

Le lithium métal est très réactif, les batteries au lithium doivent donc être assemblées dans une atmosphère sèche afin d'éviter que le lithium ne réagisse avec la vapeur d'eau. Le dioxyde de soufre et le chlorure de thionyle, utilisés dans certaines batteries au lithium, sont des dangers respiratoires. Le gaz hydrogène, utilisé dans les batteries nickel-hydrogène, présente un risque d'incendie et d'explosion. Ceux-ci, ainsi que les matériaux des batteries nouvellement développées, nécessiteront des précautions particulières.

Cellules Leclanché

Les piles sèches Leclanché sont fabriquées comme indiqué sur la figure 2. Le mélange d'électrode positive ou de cathode comprend 60 à 70 % de dioxyde de manganèse, le reste étant composé de graphite, de noir d'acétylène, de sels d'ammonium, de chlorure de zinc et d'eau. Le dioxyde de manganèse sec et finement broyé, le graphite et le noir d'acétylène sont pesés et introduits dans un broyeur-mélangeur; un électrolyte contenant de l'eau, du chlorure de zinc et du chlorure d'ammonium est ajouté, et le mélange préparé est pressé sur une presse à comprimer ou à agglomérer à alimentation manuelle. Dans certains cas, le mélange est séché à l'étuve, tamisé et réhumidifié avant compression. Les comprimés sont inspectés et emballés sur des machines alimentées à la main après avoir été laissés durcir pendant quelques jours. Les agglomérats sont ensuite placés dans des plateaux et trempés dans l'électrolyte, et sont maintenant prêts pour l'assemblage.

Figure 2. Production de piles Leclanché

L'anode est le boîtier en zinc, qui est préparé à partir d'ébauches de zinc sur une presse à chaud (ou des feuilles de zinc sont pliées et soudées au boîtier). Une pâte gélatineuse organique composée d'amidons de maïs et de farine imbibés d'électrolyte est mélangée dans de grandes cuves. Les ingrédients sont généralement versés à partir de sacs sans pesée. Le mélange est ensuite purifié avec des copeaux de zinc et du dioxyde de manganèse. Du chlorure mercurique est ajouté à l'électrolyte pour former un amalgame avec l'intérieur du récipient en zinc. Cette pâte formera le milieu conducteur ou électrolyte.

Les cellules sont assemblées en versant automatiquement la quantité requise de pâte gélatineuse dans les boîtiers en zinc pour former un revêtement de manchon intérieur sur le récipient en zinc. Dans certains cas, les étuis reçoivent une finition chromatée par versement et vidage d'un mélange d'acide chromique et chlorhydrique avant l'ajout de la pâte gélatineuse. L'agglomérat cathodique est ensuite mis en place au centre du boîtier. Une tige de carbone est placée au centre de la cathode pour servir de collecteur de courant.

La cellule de zinc est ensuite scellée avec de la cire fondue ou de la paraffine et chauffée avec une flamme pour donner une meilleure étanchéité. Les cellules sont ensuite soudées ensemble pour former la batterie. La réaction de la batterie est :

2MnO₂ + 2NH₄Cl + Zn → ZnCl₂ + H₂O₂ +Mn₂O₃

Les travailleurs peuvent être exposés au dioxyde de manganèse lors de la pesée, du chargement du mélangeur, du broyage, du nettoyage du four, du tamisage, du pressage manuel et de l'emballage, selon le degré d'automatisation, l'enceinte étanche et la ventilation par aspiration locale. Dans le pressage manuel et l'emballage humide, il peut y avoir une exposition au mélange humide, qui peut sécher pour produire de la poussière inhalable ; une dermatite peut survenir à la suite d'une exposition à l'électrolyte légèrement corrosif. Des mesures d'hygiène personnelle, des gants et une protection respiratoire pour les opérations de nettoyage et d'entretien, des douches et des casiers séparés pour les vêtements de travail et de ville peuvent réduire ces risques. Comme mentionné ci-dessus, les risques de bruit peuvent résulter de la presse à emballer et à comprimer.

Le mélange est automatique lors de la fabrication de la pâte gélatineuse, et la seule exposition se fait lors de l'ajout des matériaux. Lors de l'ajout de chlorure mercurique à la pâte gélatineuse, il existe un risque d'inhalation et d'absorption cutanée et d'empoisonnement possible au mercure. LEV ou équipement de protection individuelle est nécessaire.

L'exposition à des déversements d'acide chromique et d'acide chlorhydrique pendant le chromatage et l'exposition aux fumées de soudage et aux fumées provenant du chauffage du composé d'étanchéité sont également possibles. La mécanisation du processus de chromatation, l'utilisation de gants et le LEV pour le thermoscellage et le soudage sont des précautions appropriées.

Piles au nickel-cadmium

La méthode la plus courante aujourd'hui pour fabriquer des électrodes de nickel-cadmium consiste à déposer le matériau d'électrode actif directement dans un substrat ou une plaque de nickel fritté poreux. (Voir figure 3.) La plaque est préparée en pressant une pâte de poudre de nickel de qualité frittée (souvent fabriquée par décomposition de nickel carbonyle) dans la grille ouverte de tôle d'acier perforée nickelée (ou de gaze de nickel ou de gaze d'acier nickelé) puis frittage ou séchage en étuve. Ces plaques peuvent ensuite être découpées, pesées et frappées (compressées) à des fins particulières ou enroulées en spirale pour les cellules de type domestique.

Figure 3. Production de batteries nickel-cadmium

La plaque frittée est ensuite imprégnée d'une solution de nitrate de nickel pour l'électrode positive ou de nitrate de cadmium pour l'électrode négative. Ces plaques sont rincées et séchées, immergées dans de l'hydroxyde de sodium pour former de l'hydroxyde de nickel ou de l'hydroxyde de cadmium et lavées et séchées à nouveau. Habituellement, l'étape suivante consiste à immerger les électrodes positive et négative dans une grande cellule temporaire contenant 20 à 30 % d'hydroxyde de sodium. Des cycles de charge-décharge sont exécutés pour éliminer les impuretés et les électrodes sont retirées, lavées et séchées.

Une autre façon de fabriquer des électrodes en cadmium consiste à préparer une pâte d'oxyde de cadmium mélangé avec du graphite, de l'oxyde de fer et de la paraffine, qui est broyée et finalement compactée entre des rouleaux pour former la matière active. Celui-ci est ensuite pressé en une bande d'acier perforée en mouvement qui est séchée, parfois comprimée et découpée en plaques. Des cosses peuvent être fixées à ce stade.

Les prochaines étapes impliquent l'assemblage des cellules et des batteries. Pour les grandes batteries, les électrodes individuelles sont ensuite assemblées en groupes d'électrodes avec des plaques de polarité opposée entrelacées avec des séparateurs en plastique. Ces groupes d'électrodes peuvent être boulonnés ou soudés entre eux et placés dans un boîtier en acier nickelé. Plus récemment, des boîtiers de batterie en plastique ont été introduits. Les cellules sont remplies d'une solution électrolytique d'hydroxyde de potassium, qui peut également contenir de l'hydroxyde de lithium. Les cellules sont ensuite assemblées en batteries et boulonnées ensemble. Les cellules en plastique peuvent être cimentées ou collées ensemble. Chaque cellule est connectée avec un connecteur principal à la cellule adjacente, laissant une borne positive et négative aux extrémités de la batterie.

Pour les batteries cylindriques, les plaques imprégnées sont assemblées en groupes d'électrodes en enroulant les électrodes positive et négative, séparées par un matériau inerte, dans un cylindre étanche. Le cylindre d'électrode est ensuite placé dans un boîtier métallique nickelé, de l'électrolyte d'hydroxyde de potassium est ajouté et la cellule est scellée par soudage.

La réaction chimique impliquée dans la charge et la décharge des batteries nickel-cadmium est :

La principale exposition potentielle au cadmium provient de la manipulation du nitrate de cadmium et de sa solution lors de la fabrication d'une pâte à partir de poudre d'oxyde de cadmium et de la manipulation des poudres actives séchées. L'exposition peut également se produire lors de la récupération du cadmium à partir de plaques de ferraille. L'enceinte et le pesage et le mélange automatisés peuvent réduire ces risques au cours des premières étapes.

Des mesures similaires peuvent contrôler les expositions aux composés de nickel. La production de nickel fritté à partir de nickel carbonyle, bien que réalisée dans des machines scellées, implique une exposition potentielle à du nickel carbonyle et à du monoxyde de carbone extrêmement toxiques. Le processus nécessite une surveillance continue des fuites de gaz.

La manipulation d'hydroxyde de potassium ou de lithium caustique nécessite une ventilation appropriée et une protection individuelle. Le soudage génère des fumées et nécessite LEV.

Effets sur la santé et schémas de maladies

Les risques pour la santé les plus graves dans la fabrication de piles traditionnelles sont les expositions au plomb, au cadmium, au mercure et au dioxyde de manganèse. Les dangers du plomb sont abordés ailleurs dans ce chapitre et Encyclopédie. Le cadmium peut causer des maladies rénales et est cancérigène. L'exposition au cadmium s'est avérée répandue dans les usines américaines de batteries au nickel-cadmium, et de nombreux travailleurs ont dû être renvoyés pour des raisons médicales en vertu des dispositions de la norme sur le cadmium de l'Occupational Safety and Health Administration en raison des niveaux élevés de cadmium dans le sang et l'urine (McDiarmid et al. 1996). . Le mercure affecte les reins et le système nerveux. Une exposition excessive à la vapeur de mercure a été démontrée dans des études de plusieurs usines de batteries au mercure (Telesca 1983). Il a été démontré que les expositions au dioxyde de manganèse sont élevées lors du mélange et de la manipulation de poudres dans la fabrication de piles sèches alcalines (Wallis, Menke et Chelton, 1993). Cela peut entraîner des déficits neurofonctionnels chez les travailleurs de la batterie (Roels et al. 1992). Les poussières de manganèse peuvent, si elles sont absorbées en quantités excessives, entraîner des troubles du système nerveux central similaires au syndrome de Parkinson. Parmi les autres métaux préoccupants figurent le nickel, le lithium, l'argent et le cobalt.

Des brûlures cutanées peuvent résulter d'une exposition aux solutions de chlorure de zinc, d'hydroxyde de potassium, d'hydroxyde de sodium et d'hydroxyde de lithium utilisées dans les électrolytes des batteries.

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