CONSTITUTION ET TRANSFORMATION DE LA MATIÈRE

Annales PC

• Les appareils électroniques nomades, tablette, téléphone, etc., sont omniprésents et en évolution permanente. L’autonomie de ces appareils repose sur l’utilisation de batteries qui stockent toujours plus efficacement l’énergie. Les téléphones portables sont actuellement équipés de batteries lithium-ion mais des recherches sont menées pour développer des batteries lithium- soufre.

  La batterie lithium-soufre semble être en effet une alternative intéressante en raison de l’abondance et du faible coût du soufre. Cependant, les travaux de recherche visent à améliorer sa durée de vie encore trop faible.

  L’objectif de cet exercice est d’étudier quelques caractéristiques d’une batterie lithium-soufre et de les comparer à celles d’une batterie lithium-ion.

  Données : 
  

  • numéro atomique du lithium : Z = 3 
  • couples oxydant/réducteur : 
            - du lithium : Li⁺ / Li 
            - du soufre: S/S^2– 
  • volume molaire de gaz à 20°C et à pression atmosphérique : Vm = 24,4 L·mol^–1
  • masses molaires atomiques : 
            - du soufre : M(S) = 32,1 g·mol^–1
            - du lithium : M(Li) = 6,9 g·mol^–1
  • charge par mole d’électrons : F = 96 500 C·mol^–1
  • les ions lithium (Li⁺) et les ions sulfure (S^2– ) réagissent pour donner un précipité de sulfure de lithium très peu soluble en milieu organique 
  • la relation entre la capacité $Q,$ l’intensité du courant $I$ supposée constante et la durée d’utilisation $\Delta t,$ de la pile, est : $Q = I \times \Delta t $
  • la capacité d’une pile peut être exprimée en milliampère-heure : 1 mAh = 3,6 C 

  La batterie lithium-soufre peut être modélisée de façon simplifiée : elle se compose d’une électrode constituée d’un matériau contenant du soufre, un électrolyte organique anhydre et une électrode de lithium métallique.

  1. Le lithium

  Le lithium réagit spontanément avec l’eau. Cette transformation est exothermique. L’équation de la réaction modélisant cette transformation supposée totale s’écrit :

  2 Li (s) + 2 H₂O (l) → 2 Li⁺ (aq) + 2 HO^– (aq) + H₂ (g)

  La batterie d’un téléphone portable contient en moyenne une masse m = 0,5 g de lithium.

  Q1. Justifier que le lithium se comporte comme un réducteur dans cette transformation.

  Q2. Déterminer le volume de dihydrogène formé, à 20°C et à pression atmosphérique, si une masse m = 0,5 g de lithium réagit totalement avec l’eau. Justifier l’utilisation d’un électrolyte organique anhydre dans une telle batterie.

  Les questions suivantes Q3 à Q8 sont corrigées dans deux autres exercices.

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