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.

  2. La batterie lithium-soufre

  On donne, sur la figure 1, le schéma simplifié de la batterie lithium-soufre quand elle se décharge, c’est-à-dire quand elle fonctionne en tant que pile. Les pôles de cette pile sont indiqués sur la figure 1.

  

   

  Q3. Écrire les demi-équations modélisant les réactions électrochimiques qui se déroulent alors à chaque électrode en tenant compte de la polarité de la pile.

  Q4. Imprimer ou recopier le schéma de la figure 1, où la polarité de la pile est donnée, et indiquer :
  -  le sens du courant électrique ;
  -  le sens de déplacement des électrons dans les fils électriques reliant la pile au téléphone
  -  le sens de déplacement des ions formés dans l’électrolyte.

  Q5. Écrire l’équation de fonctionnement de la pile en tenant compte de la formation d’un précipité dans la pile.

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