Accumulateurs, piles et batteries

Accumulateurs, piles et batteries
I Considérations générales
Les accumulateurs et les piles sont des systèmes électrochimiques servant à stocker de l’énergie.
Ceux-ci restituent sous forme d’énergie électrique, exprimée en wattheure (Wh), l’énergie
chimique générée par des réactions électrochimiques.
Ces réactions sont activées au sein d’une cellule élémentaire entre deux électrodes baignant dans
un électrolyte lorsqu’une résistance, un moteur électrique par exemple, est branchée à ses bornes.
Le schéma de principe d'une cellule électrochimique est le suivant:
L’accumulateur est basé sur un système électrochimique réversible.
Il est rechargeable par opposition à une pile qui ne l’est pas. Le terme batterie est alors utilisé
pour caractériser un assemblage de cellules élémentaires (accumulateurs).
Un accumulateur, quelle que soit la technologie utilisée, est pour l’essentiel défini par trois
grandeurs.
Son énergie massique (ou volumique), en wattheure par kilogramme, Wh/kg
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(ou en wattheure par litre, Wh/dm ), correspond à la quantité d’énergie stockée par unité de
masse (ou de volume) d’accumulateur.
Sa puissance massique, en watt par kilogramme (W/kg), représente la puissance (énergie
électrique fournie par unité de temps) que peut délivrer l’unité de masse d’accumulateur.
Sa cyclabilité, exprimée en nombre de cycles (Un cycle correspond à une charge et une
décharge) , caractérise la durée de vie de l’accumulateur, c’est-à-dire le nombre de fois où il
peut restituer le même niveau d’énergie après chaque nouvelle recharge.
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Technologie Accumulateurs
II Différentes technologies d’accumulateurs
Jusqu’à la fin des années quatre-vingt, les deux principales technologies répandues sur le marché
étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage de véhicules, l’alimentation de secours de
centraux téléphoniques…) et les accumulateurs nickel-cadmium (outillage portable, jouets,
éclairage de secours…).
La technologie au plomb, connue plus communément sous le nom de batterie au plomb, est
également qualifiée de système au plomb-acide. En effet, les réactions chimiques mises en jeu
impliquent l’oxyde de plomb constituant l’électrode positive (improprement appelée cathode) et le
plomb de l’électrode négative (anode), toutes deux plongées dans une solution diluée d’acide
sulfurique qui constitue l’électrolyte. Ces réactions tendent à convertir le plomb et l’oxyde de
plomb en sulfate de plomb, avec formation d’eau. Pour recharger la batterie, ces réactions doivent
être inversées par la circulation d’un courant électrique imposé. Les inconvénients relevés sur la
technologie au plomb (poids, fragilité, utilisation d’un liquide corrosif) ont conduit au développement
d’accumulateurs alcalins.
Les accumulateurs alcalins, de plus grande capacité (quantité d’électricité restituée à la décharge)
mais développant une force électromotrice moindre (différence de potentiel aux bornes du
système en circuit ouvert) sont utilisés dans des applications où le poids est un paramètre
primordial. Leurs électrodes sont soit à base de nickel et de cadmium (accumulateur nickelcadmium), soit à base d’oxyde de nickel et de zinc (accumulateur zinc-nickel), soit à base d’oxyde
d’argent couplé à du zinc, du cadmium ou du fer (accumulateurs à l’oxyde d’argent).
Toutes ces technologies utilisent une solution de potasse comme électrolyte.
Les technologies au plomb, comme les accumulateurs alcalins, se caractérisent par une grande
fiabilité, mais leurs densités d’énergie massiques restent relativement faibles (35 Wh/kg pour le
plomb, 55 Wh/kg pour le nickel-cadmium).
Au début des années quatre-vingt-dix, avec la croissance du marché des équipements
portables, deux filières technologiques nouvelles ont émergé : les accumulateurs nickel-métal
hydrure et les accumulateurs au lithium.
III Caractéristiques électriques
III.1 Force électromotrice et tension nominale
La. force électromotrice (f.é.m) E ou tension à vide du générateur ne dépend que de la nature et
des concentrations des espèces chimiques présentes dans le générateur.
Quand l’accumulateur débite un courant I, la tension aux bornes du générateur U diminue : le
générateur n'est pas parfait et sa résistance interne, r, est liée au couple (U, I) selon :
U = E - r.I
U
P
+ -
N
U = E - rI
E
E
r
I
rI
I
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Technologie Accumulateurs
Le tableau ci-dessous présente un comparatif des forces électromotrices pour différents types de
piles et d’accumulateurs.
Appellation
courante
Pile saline
Pile alcaline
Pile au
lithium
Accumulateur au
plomb
Accumulateur
nickel-cadmium
Anode
Zn
Zn
Li
Pb
Cd
Cathode
MnO2
Ag2O
MnO2
PbO2
NiO(OH)
E (V)
1,50
1,60
3,50
2,00
1,30
Pour un accumulateur au nickel-cadmium, la f.é.m. évolue de 1,35 V (environ) lorsque l'élément est
complètement chargé, à 1 Volt environ lorsque l'élément est complètement déchargé. (Courbe cidessous)
On considère pour les calculs la tension nominale "fixe" à 1,2 V. Cette tension est invariable quelque
soit la technologie ou la capacité de l'élément.
III.2 Résistance interne
La résistance interne r est très différente entre une pile et un accumulateur. Typiquement 0,5
pour une pile et 0,01 pour un accumulateur.
Un accumulateur possédant une résistance interne très faible constitue donc un générateur de
tension quasi-idéal :
Avantage : U presque constante quand le générateur débite
Inconvénient : I très grand en court-circuit et donc potentiellement destructeur.
III.3 Energies massiques et volumiques
L'énergie massique (en Wh/kg) ou énergie spécifique d’un accumulateur correspond au quotient de
l'énergie chimique totale générée par la masse m de l’accumulateur.
Wmassique = Echim / m
Cette grandeur donne une bonne idée des performances globales de la pile, au même titre que
l'énergie volumique
L'énergie volumique (en Wh/dm3) ou densité d’énergie d’un accumulateur correspond au quotient
de l'énergie chimique totale générée par le volume V de l’accumulateur.
Wvolumique= Echim / V
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Technologie Accumulateurs
Le tableau ci-dessous présente un comparatif des énergies massiques et volumiques de différents
types de piles et d’accumulateurs.
Appellation
courante
Pile saline
Pile alcaline
Pile au
lithium
Accumulateur au
plomb
Accumulateur
nickel-cadmium
Anode
Zn
Zn
Li
Pb
Cd
Cathode
MnO2
Ag2O
MnO2
PbO2
NiO(OH)
100
136
660
35
55
180
550
1240
80
100
Wmass (Wh/kg)
3
Wvol (Wh/dm )
III.4 Puissance massique
C’est la puissance, nommée également puissance spécifique, par unité de masse que peut
fournir un accumulateur à 80% de profondeur de décharge. Pour les accumulateurs au plomb,
elle vaut 80 W/kg tandis que pour les accumulateurs nickel-cadmium sa valeur est proche de 200
W/kg.
III.5 Durée de vie
C’est le nombre de cycles (une charge et une décharge) à 80% de profondeur de décharge que peut
endurer l’accumulateur. Pour les accumulateurs au plomb la durée de vie est de 400 cycles alors que
pour ceux au nickel-cadmium elle est de 2000 cycles.
III.6 Capacité
C'est la quantité d'électricité qu'il est capable de restituer lorsqu'il est chargé. Cette capacité
est exprimée en Ampères Heure (symbole : Ah) ou pour les petits accumulateurs en milliampères
heures (mAh). Cette capacité est souvent appelée Capacité nominale et notée "Cn".
Pour une même technologie la capacité est proportionnelle au volume de l'élément. Plus il gros plus il
peut emmagasiner de l'énergie.
IV Extrait du catalogue
GAMME INDUSTRIE :
proposant des batteries Cd-Ni
Charge rapide : 1 heure avec une excellente restitution de capacité.
Charge standard : de 14 - 16 heures.
Charge accélérée : de 7- 8 heures.
Batteries CADNICA charge rapide (Series R)
- Tension nominale 1,2V
Type
Référence
Capacité (mAh)
Dimensions en mm
Poids (gr)
N500AR
500
Diam
17
N1000SCR
N1100CR
1000
1100
23
25,8
34
31
41
43
N1250SCRL
N1700SCR
N2500CR
1250
1700
2500
23
23
25,8
34
43
50
43
54
81
N2800DR
N4000DRL
2800
4000
33
33
44
61,5
120
160
4
Hauteur
28
19
Technologie Accumulateurs