Accumulateurs électrochimiques

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ACCUMULATEURS ELECTROCHIMIQUES
1 PRINCIPE
Les accumulateurs électrochimiques sont des dispositifs destinés à stocker l’énergie électrique et à la restituer ultérieurement.
C'est la modification chimique d'un mélange appelé "électrolyte" qui permet d'accumuler ou de restituer l’énergie électrique.
Dans un accumulateur électrochimique, une électrode est l'endroit où ont lieu les réactions chimiques produisant (ou absorbant)
les électrons qui circulent dans le circuit électrique extérieur au générateur. Toute réaction qui implique un échange
d'électron(s) peut être utilisée dans un générateur électrochimique.
Le composé qui, pendant une réaction chimique perd des électrons, s'oxyde ou subit une oxydation. L'électrode où une
oxydation se produit est appelée anode. Le composé qui absorbe des électrons se réduit ou subit une réduction. L'électrode où
se passe une réduction est une cathode. Dans un générateur électrochimique, les électrons quittent l'anode vers le circuit
extérieur et retournent au générateur par la cathode.
1.1 oxydoréduction
Il ne peut y avoir d'oxydation d'une substance sans réduction d'une autre substance et vice versa, c'est pourquoi on parle
d'oxydoréduction, en abrégé "rédox".
Les électrodes ne peuvent pas accumuler les charges
électriques, il faut donc que le circuit soit "bouclé" et que
l'électricité circule aussi à l'intérieur du générateur. Cela
s'effectue au travers d'un composé, le plus souvent
liquide, appelé électrolyte dans lequel se déplacent des
ions en quantités équivalentes au courant du circuit
extérieur.
Si les électrodes entraient en contact l'une avec l'autre à
l'intérieur du générateur, les électrons pourraient circuler
sans passer par le circuit extérieur et le générateur serait
en court-circuit. On empêche cela en utilisant un
séparateur qui ne conduit pas les électrons (isolant) mais
permet le passage des ions par des trous (pores) dans sa
structure. Le séparateur des générateurs à électrolyte
liquide est un matériau poreux (papier, plastique finement perforé, fibre de verre,...).
En général, plus la réaction chimique peut produire d'énergie, plus la tension de l'élément sera élevée. Par exemple, la réaction
entre le bioxyde de manganèse et le lithium dégage plus d'énergie que la réaction entre le bioxyde de manganèse et le zinc. Une
pile "au lithium" a une tension d'environ 3 V alors qu'une pile "bioxyde de manganèse-zinc" a une tension d'environ 1,5 V
seulement.
1.2 Structure d’un générateur électrochimique
En résumé, un générateur électrochimique élémentaire comprend au
minimum (voir schéma) :
- un contenant
- deux électrodes avec leurs contacts
- un électrolyte
- un séparateur
L'électricité étant produite par une réaction chimique, le courant cesse de
circuler lorsque la matière active contenue dans au moins l'une des
électrodes a été complètement utilisée. On dit que le générateur est
déchargé. La quantité totale d'électricité que le générateur a fourni
pendant la décharge est sa capacité, elle s'exprime par le produit du
courant de décharge par le temps qu'a duré cette décharge.
On a C = I t, où C est la capacité, I est le courant (constant) et t, la durée de
la décharge.
La capacité s'exprime généralement en Ampères-heures (Ah), elle augmente avec la masse de matière active contenue dans le
générateur.
Dans certains cas on peut, à l'aide d'une source extérieure de courant, provoquer la réaction chimique inverse de la décharge,
les matières actives des électrodes sont alors régénérées, le générateur est rechargé. Les générateurs électrochimiques
construits pour pouvoir être rechargés sont des accumulateurs. Dans certains cas ils peuvent être déchargés et rechargés plus de
mille fois avant qu'ils ne soient abîmés par des réactions chimiques indésirables. Un cycle est constitué d'une décharge suivie
d'une recharge. Le nombre de cycles que peut supporter un accumulateur avant d'être "usé" est sa durée de vie. Elle varie avec
la nature des matières actives et la construction de l'accumulateur mais elle est au minimum de plusieurs dizaines de cycles.
Denis Guérin
crédits : JC Rolin
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2 CARACTERISATION
Tension ou FEM (Force Electromotrice) en Volts (V) : fixée par le potentiel d'oxydoréduction du couple électrochimique utilisé
(exemple : plomb – acide), elle est de quelque volts pour une cellule. En pratique, comme des tensions plus élevées sont
nécessaires (12V, 24V, 250V, 500V...), il est nécessaire de mettre en série un certain nombre de cellules.
• Charge électrique (ou capacité) en Ampère-heures (Ah) : la charge électrique peut s’assimiler à une quantité
d’électrons. L’unité légale est le Coulomb (C) : 1 Coulomb est égal à 1 Ampère pendant 1 seconde.
• La puissance maximale en Watts (W) : que l’accumulateur peut fournir en pointe sans se détériorer. Cette puissance ne
peut être maintenue sans risque. Une équivalence à la puissance maximale est le débit maximum en Ampères (A).
• L’impédance interne en Ohms (Ω) : elle est assimilée à une résistance pure et limite le courant de décharge en
transformant en pertes joules une partie de l’énergie restituée.
• Le courant de charge en Unité de Charge (C) : c’est le rapport entre le courant de charge en A et la capacité en Ah. Le
courant de charge est aussi exprimé en A. En général, c’est aussi le courant nominal de décharge de l’accumulateur.
• L’énergie spécifique en Wattheures par kilogramme (Wh/kg) : est la quantité d’énergie que peut restituer
l’accumulateur par rapport à sa masse. On parle aussi de densité massique en Ampère-heures par kilogramme (Ah/kg).
• La densité d’énergie en Wattheure par litre (Wh/l) : est la quantité d’énergie que peut restituer l’accumulateur par
rapport à son volume. On parle aussi de densité volumique.
3 LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES
3.1 L’accumulateur acide-plomb
• Electrodes :
Cathode (borne +) : Bioxyde de plomb (PbO2)
Anode (borne -) : Plomb (Pb)
• électrolyte : Acide sulfurique (H2SO4).
• Tension de base de cellule : 2 V.
Hawker (C5) : 35 Wh/kg, 90 Wh/l
• Variation entre 1,75 V et 2,15 V.
• Utilisation : Batterie auxiliaire et de démarrage automobile rechargée par un alternateur, Engins de manutention et petits
véhicules (poids < 600 kg), stockage de l'énergie produite par intermittence, comme l'énergie solaire ou éolienne, …
• Inconvénients majeurs : cause de dégradation si décharge complète, oxydation des électrodes si manque d’électrolyte.
3.2 L’accumulateur Nickel-Cadmium
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Electrodes
Cathode (borne +) : hydroxyde de nickel
Anode (borne -) : hydroxyde de cadmium
électrolyte alcalin : hydroxyde de potassium (KOH) : potasse, soude et
lithine
Tension de base de cellule : 1,2 V. Variation en entre 0,85 V et 1,3 V.
Utilisation : premières versions des véhicules électriques, ferroviaires,
systèmes de secours avionique, matériel électroportatif, …
Interdit depuis 2006 pour les applications portatives.
Inconvénients majeurs : Mauvaise tenue dans le temps sans utilisation,
effet mémoire.
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Saft Ni-Cd (0,3 C) :
80 Ah, 6 V, 63 Wh/l, 43 Wh/kg
3.3 L’accumulateur Nickel-Métal Hydrure
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Electrodes :
Cathode (borne +) : hydroxyde de nickel
Anode (borne -) : hydrure métallique + hydrogène
électrolyte alcalin : hydroxyde de potassium (KOH) : potasse, soude et lithine
Tension de base de cellule : 1,2 V. Variation en entre 0,9 V et 1,35 V.
Utilisation : véhicules électriques et hybrides, matériel électroportatif, …
Inconvénients majeurs : Mauvaise tenue dans le temps sans utilisation, effet mémoire
.
Denis Guérin
crédits : JC Rolin
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3.4 L’accumulateur Lithium
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Accumulateur Lithium-Ion :
Cathode (borne +) : Oxyde de Cobalt + Lithium
Anode (borne -) : Graphite + Lithium
électrolyte : sel de Lithium en solution dans un solvant organique
Accumulateur Lithium-Phosphate :
Cathode (borne +) : Phosphate de fer en général ou Magnésium
Anode (borne -) : Carbone
électrolyte : sel de Lithium en solution dans un solvant organique
Accumulateur Lithium-Polymère :
Cathode (borne +) : Oxyde de manganèse + Lithium
Anode (borne -) : Graphite + Lithium
électrolyte : Polymère + solvants + antioxydants …
Valence technology : LithiumPhosphate 148 Wh/l, 91 Wh/kg
Accumulateur Lithium-Métal Polymère :
Cathode (borne +) : Oxyde de vanadium, Polymère, Carbone
Anode (borne -) : Lithium métal
électrolyte : Polymère + sels de Lithium
Tension de base de cellule : 3,6 V.
Utilisation : équipements portables, proto et petite série de véhicules…
Avantages majeurs : aucun effet mémoire, faible autodécharge, pas de
maintenance, batterie pouvant prendre des formes fines et
variées (Lithium-Polymère), faible poids, plus de cycles de vie.
Inconvénients majeurs : l’électrolyte liquide présente des dangers si une fuite
se produit et que celui-ci entre en contact avec de l'air ou de l'eau
avec risque de brûlures ou d’explosions (Lithium-Ion), charge
soumise à des règles strictes sous peine de risque d'inflammation
(Lithium-Polymère), fonctionnement optimal à température
élevée (Lithium-Métal-Polymère).
Denis Guérin
crédits : JC Rolin
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Bolloré : LMP
100 Wh/l, 100 Wh/kg
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4 PROPULSION ELECTRIQUE
Dès les débuts de l’automobile, le véhicule électrique fut sujet à réflexion (en photo la « Jamais
contente » première automobile (électrique) à dépasser les 100km/h). Le problème récurrent
et encore actuel est « comment stocker une quantité d’énergie électrique suffisante dans le
véhicule ». La solution utilisée de nos jours est l’accumulateur électrochimique.
4.1 La filière Lithium Métal Polymère
Après 15 années de développement et 1,7 milliards d’euros d’investissement, la batterie LMP du groupe Bolloré est enfin
utilisée dans la voiture Autolib en libre service à Paris.
Elle est très performante, solide (sans risque d’explosion), mais sa température doit être maintenue à 80°c, Ce qui convient
bien au libre service où les véhicules restent branchés à l’arrêt.
Une nouvelle usine a été inaugurée en septembre 2013 et la production est de 5000 batteries par an.
4.2 La filière Métal Air
Encore dans les laboratoires, ce système qui fait entrer en contact l'aluminium avec de l'oxygène et de l'eau permet de
dégager trois fois plus d'énergie qu'une batterie au lithium. Avec 50 plaques d'aluminium pour un poids total de 25 kilos,
l'entreprise israélienne Phinergy a démontré qu'elle pouvait offrir un millier de kilomètres d'autonomie.
4.3 Les pragmatiques : Tesla Motors
Le bloc de batteries du roadster pèse environ 450 kg et contient
l'équivalent énergétique de 53 kWh. Cette énergie est délivrée par 6 831
cellules lithium-ion.
Les cellules utilisées dans le pack de batteries du Roadster se dénomment
« 18650 form-factor » du fait de leurs mesures : 18 mm de diamètre et 65
mm de longueur. Le form factor est un produit du marché électronique:
plus d'un milliard de cellules 18650 sont produites chaque année. Tesla
choisit des versions modifiées de ce form factor et les utilise dans des
véhicules électriques.
Soixante-neuf cellules sont connectées en parallèle sous forme de briques. Quatre-vingt-dix-neuf briques sont connectées en
série afin de créer des feuilles, et 11 feuilles sont insérées dans le boîtier du pack. Au total, un pack est constitué de 6 831
cellules.
Tesla Motors
Modèle S à partir de 64000€
Denis Guérin
crédits : JC Rolin
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