Accumulateur électrique
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Un accumulateur électrique ou simplement un accumulateur pour les techniciens accu, est un dispositif destiné à stocker l'énergie électrique, sous forme électrique (condensateur) ou accumulateurs électrochimiques , parfois appelés à tort pile rechargeable.
On distingue aussi les accumulateurs électriques des dispositifs plus complexes, qui convertissent de l'énergie électrique pour la stocker sous une autre forme (par exemple cinétique) et qui peuvent ensuite reconvertir cette énergie dans l'autre sens pour générer de l'électricité (voir : stockage d'énergie).
Lorsque l'on parle d'éléments rechargeables on utilise le terme d'accumulateur. On les distingue des piles électriques qui ne sont par définition pas rechargeables. Les piles fournissent la quantité d'électricité prévue à leur fabrication (aucune charge, ni préparation n'est nécessaire avant utilisation). Image:Galvanic cell.png
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[modifier] Généralités
L'énergie électrique peut se stocker de différentes manières :
- Sous forme d'énergie électrostatique, en accumulant des charges électriques dans un ou plusieurs condensateurs. L'apparition, vers 1995, de condensateurs dont la capacité peut atteindre quelques centaines de farads permet de réaliser des substituts aux batteries d'accumulateurs classiques. Les avantages sont un gain de poids et un fonctionnement possible par très grand froid (véhicules polaires). Avec un inconvénient de taille le prix au Wh stocké nettement plus élevé.
- Sous forme d'énergie électromagnétique, en établissant un courant électrique dans un circuit bobiné autour d'un circuit magnétique, de telle sorte que l'énergie nécessaire pour mettre en mouvement les charges électriques puisse être restituée par induction.
La durée de stockage de l'énergie reste faible même avec les meilleurs métaux conducteurs que sont l'argent et le cuivre en raison des pertes par effet Joule dans le circuit ; un stockage de longue durée nécessite ainsi l'utilisation de matériaux supraconducteurs. Les dispositifs ainsi réalisés sont connus sous le nom de SMES : Superconducting Magnet Energy Storage.
- Sous forme électrochimique, qui présente la caractéristique intéressante de fournir une tension (différence de potentiel) à ses bornes peu dépendante de sa charge (quantité d'énergie stockée) ou du courant débité. On utilise la propriété qu'ont certains couples chimiques d'accumuler une certaine quantité d'électricité en modifiant leur structure moléculaire et ceci de manière réversible.
- Différents types de couples chimiques sont utilisés pour la réalisation d'accumulateurs électriques.
Compte tenu des limites des techniques de stockage direct de l'électricité, le mot accumulateur désigne en électrotechnique, principalement le dispositif électrochimique.
[modifier] Caractéristiques d'un accumulateur
- La tension ou potentiel (en volt) est un paramètre important. Fixée par le potentiel d'oxydo-réduction du couple redox utilisé, elle est de l'ordre de quelques volts pour un élément. Comme en pratique on désire des tensions plus élevées, (typiquement 12, 24 voire 48 V), pour augmenter la tension on branche des éléments en série au sein d'une batterie d'accumulateurs (c'est sans doute l'origine du terme « batterie » comme synomyne courant pour « accumulateur » et, en anglais, pour « pile » ; toutefois certains évoquent une autre source étymologique possible : l'effet de choc d'un courant électrique, comme si l'appareil électrique « battait » celui qui reçoit la décharge).
- Le débit en courant d'un accumulateur se mesure en ampère. On parle également de puissance pour le débit en énergie (capacité à restituer un courant donné à une tension donnée).
- La capacité électrique se mesure dans la pratique par référence au temps de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure), mais l'unité officielle (SI) est le coulomb.
- 1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C ; 1 C = 1 Ah/3 600 = 0,278 mAh.
- L'énergie stockée se mesure usuellement en Wh (watt-heure mais l'unité officielle (SI) est le joule.
- 1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,278 mWh.
- L'impédance interne, exprimée en ohm, impédance parasite qui limite le courant de décharge, ainsi que la fréquence de ce courant, en transformant en chaleur par effet joule une partie de l'énergie restituée. En pratique, on assimile souvent l'impédance à la seule composante résistive pure.
- La densité massique est une des caractéristiques importantes d'un accumulateur, elle correspond à la quantité d'électricité (Ah/kg) ou d'énergie (Wh/kg) qu'il peut restituer par rapport à sa masse. Dans certaines applications, moins fréquentes, c'est le volume (en m3 ou en litre) qui peut être un paramètre important.
[modifier] Technologie Plomb-acide
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2 V. Il s'agit du système le plus ancien, mais aussi potentiellement l'un des plus polluants. C'est le dispositif de stockage d'énergie électrique utilisé dans la plupart des véhicules automobiles.
- L'accumulateur au plomb a été inventé par Gaston Planté qui observait l'électrolyse de l'eau acidulée. ** En essayant le plomb dans sa recherche de matières plus économiques que le platine, il remarqua que son appareil rendait de l'électricité lorsqu'on coupait l'alimentation ; comme si l'oxygène et l'hydrogène pouvaient rendre l'électricité qui les avait produits.
- Il crut avoir inventé la pile à combustible, mais comprit vite que ce n'était pas l'oxygène et l'hydrogène gazeux qui rendaient le courant, mais la modification chimique (oxydation) de la surface du plomb.
- Son appareil se composait de deux lames de plomb maintenues écartées par des bandes isolantes. Pour augmenter la surface des électrodes, Planté enroula concentriquement deux bandes de plomb séparées par deux intercalaires de caoutchouc pour éviter tout contact entre elles, le tout contenu dans un bocal de verre rempli d’eau acidulée.
- Pour obtenir une capacité de décharge importante, G. Planté constata qu’il était nécessaire de faire subir aux électrodes une série de cycles charge/décharge qui constituait ce qu’il appela « la formation ».
- Le fonctionnement de la batterie ne disperse pas de plomb.
- Le plomb est un polluant, en revanche le recyclage des batteries est facile. Le transport et le recyclage des batteries est de plus en plus sévèrement réglementé, ce qui augmente les frais, diminue la rentabilité du recyclage ; par conséquent la quantité de batteries recyclées a tendance à diminuer, le prix du kilogramme de batteries devient inférieur au prix du kilogramme de ferraille.
- La durée de vie ainsi que les performances d’une batterie au plomb dépendent fortement de l’utilisation que l’on en fait. Ainsi, on a vu des batteries rendre l’âme après seulement 50 cycles alors que d’autres du même type ont tenu plus de 500 cycles. Cette forte disparité est en partie due au fait que ces batteries sont influencées par le type de cycle charge/décharge qu’on leur impose, supportent très mal les décharges profondes et nécessitent un système embarqué de contrôle très poussé afin de fournir les meilleures performances possibles.
[modifier] Technologie Ni-Cd (Nickel-cadmium)
Image:NiCd various.jpg La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V. Ce couple électrochimique est l'un des plus couramment utilisés depuis plusieurs décennies pour fabriquer des batteries d'accumulateurs alimentant les appareils portatifs. Ce type d'accumulateur possède un fort effet mémoire, ce qui oblige leur stockage dans un état déchargé (0,6 V). La fin de charge est caractérisée par une variation de la tension de charge (dv/dt) négative. C'est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge.
Par rapport au Ni-MH, le Ni-Cd peut supporter des pointes de courant en décharge plus importantes (de l'ordre de 10 fois) et sa décharge naturelle est beaucoup plus lente que celle du Ni-MH. Par contre le cadmium est très polluant. Ce type d'accumulateur permet un nombre de cycles charge/décharge plus important que les accus Li-ion et beaucoup plus important que les Ni-MH (durée de vie supérieure).
Quand on parle de décharger complètement une batterie cela sous-entend bien sûr de ne pas descendre en dessous de 1 V / élément. Ceci est la tension minimale en dessous de laquelle l'élément ne doit jamais descendre sous peine de destruction partielle, voire complète. La décharge se déroule en trois phases. Premièrement une chute rapide de la tension vers la valeur de 1,2 V / élément. Puis une longue plage où la tension reste stable à cette valeur. Et enfin une avalanche de la tension de l'accumulateur. C'est là qu'il faut stopper rapidement la décharge avant la destruction. La proportion de la longueur de ces phases est fonction du courant débité. Pour une décharge optimale, il faut se conformer aux indications données par le constructeur en fonction de la technologie et des caractéristiques de l'accumulateur. En fonction de leur technologie les accumulateurs peuvent débiter plus ou moins de courant pour une même capacité.
Un encadrement très strict de la mise sur le marché européen de cette technologie a été institué par la directive 2006/66/CE publiée au JOUE le 6 septembre 2006. Cet encadrement sera effectif dès la transposition dans la législation nationale des 25 états-membres de l'Union européenne, transposition qui doit intervenir dans les 24 mois qui suivent cette date de publication de la directive. Entre autres prescriptions, cette directive prévoit l'interdiction de l'utilisation du cadmium dans les accumulateurs portables, à l'exception des accumulateurs destinés aux systèmes d'urgence et d'alarme, aux équipements médicaux et à l'outillage électrique sans fil.
[modifier] Technologie Ni-MH (Nickel-métal hydrure)
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V. Ce type d'accumulateur n'incorpore ni cadmium ni plomb et est donc peu polluant. De plus, son énergie massique est supérieure de 40 % à celle des Ni-Cd et son effet mémoire est très faible.
La fin de charge est caractérisée par une variation de la tension de charge (dv/dt) très faiblement négative. C'est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge.
[modifier] Technologie Lithium
[modifier] Lithium-Ion
Commercialisée pour la première fois par Sony Energitech en 1991, la batterie lithium-ion occupe aujourd'hui une place prédominante sur le marché de l'électronique portable. Ses principaux avantages sont une densité d'énergie spécifique et volumique élevée (4 à 5 fois plus que le Ni-MH par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire (aucun ou presque). Enfin, l'auto-décharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le lithium aux systèmes de petite taille.
La batterie lithium-ion fonctionne sur l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié et une électrode négative en graphite. L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactives.
La tension d’un élément Li-Ion est de 3,6 V. Cette équivalence 1 élément Li-Ion = 3 éléments Ni-MH est très intéressante car elle permet dans certains cas de faire une substitution pure et simple, du Li-Ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique. De plus le Ni-MH est d'une utilisation plus sûre, en particulier lors de la charge.
Ce problème de sécurité impose d'intégrer un système électronique de protection, embarqué le plus souvent dans chaque élément au lithium. (Il empêche une charge ou décharge trop profonde : sinon le danger peut aller jusqu'à l'explosion de l'élément).
Les courants de charge et de décharge admissibles sont aussi plus faibles qu'avec d'autres technologies. Enfin, un autre défaut : les éléments vieillissent même en l'absence d'utilisation. Quel que soit le nombre de charges/décharges, leur durée de vie serait limitée à une durée d'environ 2 ou 3 ans après fabrication.
Notons cependant qu'il existe des accumulateurs Li-Ion industriels de grande puissance (plusieurs centaines de watts par élément) qui ne sont pas touchés par ce vieillissement, grâce à une chimie plus travaillée et une gestion électronique poussée. Ces éléments peuvent fonctionner jusqu'à 15 ans (aéronautique, voitures hybrides, systèmes de secours). Cependant l'utilisation de la technologie Li-Ion à ces échelles de puissance n'en est qu'à ses débuts.
Le lithium commence à apparaître sous de nouvelles versions. Le lithium-ion polymère (Li-po, encore très chère cette version peut être très fine et prendre toutes les formes). Et le lithium-phosphate (qui aurait une capacité de stockage encore améliorée). Deux technologies à suivre...
[modifier] Lithium-air
La pile lithium-air met en œuvre le couple lithium-dioxygène qui offre une densité énergétique très élevée (jusqu'à 5000 Wh/kg). Cela est dû au fait d'une part que l'un des composants (l'oxygène) reste disponible et inépuisable sans être stocké dans la pile (comme dans la plupart des piles à air), mais surtout à la faible masse molaire et aux forts potentiels redox du lithium et de l'oxygène. Délivrant une tension de 3,4 V, elle présente toutefois certains inconvénients : corrosion, nécessité de filtres (exige un air très pur) et faible puissance spécifique (100 W/kg). Si les piles sont déjà commercialisées depuis plusieurs années (en particulier pour les piles d'appareils auditifs), les premiers modèles rechargeables sont récents. La recherche reste donc très active dans ce domaine.
[modifier] Pile alcaline
Contrairement aux mentions inscrites sur leurs emballages, les piles alcalines « non rechargeables » peuvent elles aussi être régénérées partiellement. Mais seulement avec un chargeur adapté à cet usage. Les chargeurs standard (Ni-MH ou Ni-Cd) utilisent des méthodes de charges non appropriées qui rendent l'opération dangereuse, pouvant aller jusqu'à l'explosion de la pile ou du moins la destruction du container avec fuite des composants acides. D'ailleurs, par sécurité et de façon générale, chaque chimie nécessite une méthode de charge spécifique donc un chargeur compatible.
Certes, les alcalines subiront un nombre de cycles moins grand qu'un accumulateur, même en restant dans les conditions idéales de réversibilité de la réaction chimique (en particulier, en ne déchargeant jamais les éléments à moins de 1,25 V), il n'est possible de les régénérer que quelques dizaines de fois au maximum. En conséquence, cette possibilité est méconnue du grand public, d'autant qu'elle est réservée aux amateurs avertis des contraintes. De plus, cela ne peut être rentable que pour certains usages.
Il existe depuis les années 2000 une version améliorée dite alcaline rechargeable, spécifiquement destinée à être rechargée de nombreuses fois. Ce produit est manufacturé en particulier par une société canadienne Pure énergie. Elle est disponible dans le commerce de façon presque confidentielle.
Ce type de piles alcalines est particulièrement adapté aux appareils qui ne déchargent ni trop vite, ni trop profondément leurs accumulateurs. Mais elles peuvent servir d'"accu de secours" grâce à leur longue durée de conservation de la charge hors utilisation.
[modifier] Voir
En France les Alcalines rechargeables
[modifier] Brome
Actuellement au stade de prototype, les accumulateurs à base de brome seront probablement réservés aux installations fixes car ils nécessitent la circulation de l'électrolyte et que, de plus, le brome est particulièrement dangereux.
Les couples étudiés sont: sodium-brome, vanadium-brome et zinc-brome.
[modifier] Tableau comparatif des différentes technologies
| Type | Énergie massique | Tension d'un élément | Durée de vie (nombre de recharges) | Temps de charge | auto-décharge par mois |
|---|---|---|---|---|---|
| Plomb | 30-50 Wh/kg | 2 V | 200-300 | 8-16 h | 5 % |
| Ni-Cd | 48-80 Wh/kg | 1,25 V | 1 500 | 1 h | > 20 % |
| Ni-MH | 60-120 Wh/kg | 1,25 V | 300-500 | 2-4 h | > 30 % |
| Alcaline | 80-160 Wh/kg | 1,5-1,65 V | 100 | 1-16 h (selon capacité) | < 0,3 % |
| Li-ion | 110-160 Wh/kg | 3,7 V | 500-1 000 | 2-4 h | 10 % |
| Li-Po | 100-130 Wh/kg | 3,7 V | 300-500 | 2-4 h | 10 % |
| Li-Air | 1500-2500 Wh/kg | 3,4 V | ? | ? | ? |
À noter que la batterie Li-Po(lymère) est effectivement moins performante que la Li-ion mais fabriquée différemment. Elle prend moins de place que la Li-ion. Par conséquent une batterie Li-Po de même taille qu'une batterie Li-ion possède une capacité plus importante (contrairement à ce que semblerait laisser penser ce tableau).
[modifier] Voir aussi
- Batterie d'accumulateurs
- Charge électrique
- Effet mémoire
- Pile électrique
- Stockage d'énergie
- Supercondensateur
[modifier] Liens externes
- buchmann.ca Batteries rechargeables (en) (fr) (de) (es) (se)
- ni-cd.net Le monde des accumulateurs et des batteries rechargeables(fr)
- http://www.batteriesdigest.com/lithium_air.htm (site comparant les différents types de batteries)
- http://www.excellatron.com/advantage_2.htm (un fabricant de batteries lithium-air)
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