Ecoconception Les accumulateurs électriques Introduction
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Ecoconception Les accumulateurs électriquesIntroduction 1 Différents type d'accumulateurs actuels : 1 Plomb-Acide 1 Ni-Cd (nickel-cadmium) 1 Ni-MH (nickel-métal hydrure) 1 Ni-Zn (nickel-zinc) 1 Lithium 1 Evolution des accumulateurs 1 Batteries à base d’algues : 1 Batteries de lithium-fer-phosphate (LiFePO4) développé au MIT : 1 Batteries écologiques : 1 Batteries nucléaires : 1 Introduction C’est un dispositif destiné à stocker l’énergie électrique et à la restituer ultérieurement. Il existe différents types d’accumulateurs : • Les accumulateurs d'énergie convertissant l'énergie électrique dans une autre forme afin de la stocker (par exemple en énergie cinétique) et, qui sont capables de la restituer ultérieurement ; • Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l’électrostatique : bouteilles de Leyde, condensateurs ; • Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'électrodynamique : circuits bobinés ; • Les accumulateurs électrochimiques, fonctionnant grâce aux réactions électrochimiques de leurs électrodes, qui assurent la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique ; • Les piles qui ne sont pas des accumulateurs électrochimiques, car elles ne sont pas rechargeables. Piles et accumulateurs électrochimiques sont des générateurs électrochimiques. Les piles fournissent la quantité d'électricité prévue à leur fabrication (aucune charge, ni préparation n'est nécessaire avant utilisation). Différents type d'accumulateurs actuels : Plomb-Acide La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2,25 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. 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. Ni-Cd (nickel-cadmium) 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 effet mémoire, ce qui impose 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) mais sa décharge naturelle est beaucoup plus rapide que celle du Ni-MH. 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). Notons enfin que l'augmentation considérable des cours du nickel ces dernières années a relancé le marché de ce type d'accumulateurs dans ses usages industriels (applications aéronautiques, ferroviaires, stationnaires). 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 (δv/δt) très faiblement négative. C'est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge. Ni-Zn (nickel-zinc) Le NiZn est un couple connu depuis longtemps, mais qui n'avait pu être industrialisé de manière significative, à cause d'une très faible durée de vie en cyclage. Ce problème est aujourd'hui totalement résolu par une nouvelle technologie développée en France entre 1998 et 2005. Le NiZn constitue désormais un système à la fois d'énergie et de puissance, aux performances supérieures à celles du NiCd et du NiMH. Il accepte des régimes élevés de charge et de décharge. Sa tension nominale est de 1,65 V. Le NiZn est un accumulateur robuste, fiable et parfaitement sûr, fonctionnant en mode sans maintenance (étanche). Sa durée de vie en cyclage est équivalente à celle du NiCd, son autodécharge et son effet mémoire sont inférieurs. Le NiZn est de fabrication plus économique que les autres accumulateurs alcalins (NiCd et NiMH). Il ne contient aucun métal lourd, et il est aisément et intégralement recyclable en fin de vie. Lithium Les accumulateurs à base de lithium sont d'une technologie récemment mise au point et en cours de développement intense, présentant un très important potentiel électrochimique. Accumulateur LiPo de téléphone GSM On distingue la technologie lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose d'importants problèmes de sécurité), et la technologie lithium ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive. Les problèmes de sécurité demeurent (prise de feu) en cas de surcharge, de surdécharge ou de court-circuit. Les accumulateurs lithium-ion sont partiellement remplacés par les accumulateurs lithium polymère délivrant un peu moins d'énergie, mais beaucoup plus sûrs. La durée de vie de ces accumulateurs n'est que de 2 à 3 ans après fabrication, indépendamment du nombre de cycles de charges. Le potentiel le plus répandu d'une cellule au lithium-ion est de 3,7 V. Evolution des accumulateurs Batteries à base d’algues : - Développé à KTH à partir de la cellulose produite dans les parois des cellules des végétaux. - Chargement de la batterie en dix secondes. - Légère, bon marché, grande capacité, rapide, tout cela provient de la nanostructure d’une algue verte. Batteries de lithium-fer-phosphate (LiFePO4) développé au MIT : - Transport rapide de l’énergie électrique grâce à un nouveau matériau. - Etudes pouvant permettre la recharge rapide des batteries pour voitures électriques. - Très grande densité énergétique mais longue période de charge. Batteries écologiques : - Substances organiques venant de végétaux. - Rendre les mobiles avec ce type de batterie moins polluant. - Recherches effectuées par Orgabat en Picardie. Batteries nucléaires : - Développé à l’université du Missouri. - Générateur thermoélectrique à radio-isotope. - Très petit. - Très grande capacité. - Effet radioactif.
