Stockage d`électricité par batteries : Etat de l`art et
publicité
Stockage d’électricité par batteries : Etat de l’art et perspectives de développement Pierre‐Louis Taberna Chargé de recherche au CNRS ‐ CIRIMAT CIRIMAT CIRIMAT Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (UMR 5085) 1 Historique 1745 Bouteille de Leyde ‐250 Pile de Bagdad 1836 Pile Daniell 1800 Pile Volta 1859 Accumulateur Pb Historique 1949 Pile alcaline Zn/MnO2 1867 Pile saline (Leclanché) 1899 Accumulateur NiCd 2 Historique 1990 Accumulateur NiMH 1973 Pile Li 1978 (1996 comm) Lithium Poly 2000 Li‐Ion Poly 1991 Accumulateur Li‐Ion Marchés des Générateurs Electrochimiques (GE) Electronique portable Wh GE Energies renouvelables MWh Transport électrique kWh 3 •‐ Autonomie •‐ Energie limitée •‐ Disponibilité •‐ Coût du kWh •‐ Discrétion •‐ Sensibilité à la température •‐ Non polluant en fonctionnement •‐ Rendement •‐ Peu d’entretien •‐ Adaptation Inconvénients Qualités Pourquoi leur popularité est grandissante ? •‐ Temps de charge / réservoir carburant •‐ Vieillissement au repos Définitions • GE Primaire : pile, 1 seule décharge • GE Secondaire : accumulateur, plusieurs charges/décharges) Marché des Générateurs Electrochimiques Marché global : 40 G€ (2009) Part de marché 3% 3% 2% Accumulateurs 1% Piles 120% Li-Ion 6% 100% Plomb 37% 15% Alcaline Saline NiMH Pile Lithium NiCd 33% Autres 80% 60% 40% 20% 0% 2009 (40 G€) 2015 (60 G€) 4 Principaux couples électrochimiques utilisés 500 LiFeS2 535 LiMnO2 Wh/kg 250 1100 Li/SOCl2 200 1300 Zinc air 525 Oxyde d'Ag 400 Alcaline Energie nominale, Wh/kg Energie @ 1C*, Wh/kg 300 Wh/L 150 100 NON RECHARGEABLE 50 165 Leclanché 0 0 500 LithiumMnO2 265 Nickelmetal… NickelCadmium 1500 Wh/L *1C = Décharge complète en 1 h Wh/kg 400 Lithium-Ion 1000 240 PILES ACCUMULATEURS 100 Puissance spécifique RECHARGEABLE 70 Plomb 0 500 1000 1500 Energie spécifique Coût Problème du coût Prix, €/kWh 10000 10 000 Prix, €/kWh par cycle 800 1 000 2000 200 800 1 000 100 200 100 100 10 10 4 10 1 1 0 0,30 0,10 0 0,10 5 100 û Co t on Li‐I NiMH NiCd Pb Puissance massique, W / kg 1000 COURANT ELEVE CYCLABILITE ELEVE Une application, un GE 10 AUTONOMIE FAIBLE CYCLABILITE 1 10 100 Energie massique, W h/ kg 1000 D’où provient l’énergie ? • Réactions électrochimiques: Destructives ou constructives Corrosion Combustion Respiration Combustion Canalisée, l’énergie peut être exploitée 6 Réactions électrochimiques Zn = Zn2+ + 2e‐ (Oxydation) O2 + 2H2O + 4e‐ = 4OH‐ (Réduction) 2Zn + O2 + 2H2O = 2Zn(OH)2 Réaction spontanée: corrosion du Zinc Nernst : Ici ∆E = 1,65 V Si canalisée: W = ∆E.Q (Q : quantité d’électricité – Capacité) Anatomie d’un Générateur Electrochimique Exemple de l’accumulateur Li‐Ion en décharge : système fermé I Séparateur ANODE CATHODE Boitier Li+ + + + + + + + + + Electrode négative (ANODE) : Conducteur mixte + + + Electrode positive (CATHODE) : Conducteur mixte Electrolyte : conducteur ionique 7 Courbe de décharge, courbe de polarisation (décharge) Courbe théorique Tension de cellule, V En pratique: pertes cinétiques •Wexp < Wthéo •Pexp < Pthéo •Qexp < Qthéo •Vexp < Vthéo Courbe expérimentale Pertes cinétiques Paramètres clés: •Tension de cellule, V •Capacité, Q •Energie, W •Puissance, P Capacité, Ah ou Courant, A Objectif: Courbe expérimentale = Courbe théorique Courbe de décharge, courbe de polarisation (décharge‐charge) Charge Tension de cellule, V Décharge Capacité, Ah ou Courant, A 8 L’accumulateur au Plomb I Quelques applications CATHODE – PbO2 ANODE ‐ Pb – H+ – HSO ‐ 4 + + + – • • • • • + + – – Démarrage Alimentation secours Chariots élévateurs Voitures de golf Sous‐marins… Décharge : modifications chimiques des matériaux actifs – électrolyte : H2SO4 5M •‐ Faible coût •‐ Faible cyclabilité : 200 – 500 cycles •‐ Autodécharge ≈ 5% par mois@25°C •‐ Faible énergie spécifique : 35 Wh/kg – 120 Wh/L Inconvénients Qualités PbO2 (+) + Pb (‐) + 2H2SO4 = 2PbSO4 +2H2O (∆V = 2 V par cellule) •‐ Basse température •‐ Pas ‘susceptible’ •‐ Décharge rapide (pics) : 5C •‐ Recyclabilité •‐ Charge lente : 10 à 20 heures •‐ Augmentation de résistance en décharge •‐ Stockage difficile sans entretien •‐ Dégagement d’hydrogène L’accumulateur NiMH I Quelques applications ANODE ‐ MH CATHODE – NiOOH – – – – – + + H+ + OH‐ = H2O • • • • • • Véhicules hybrides Electronique/jouets Instruments médicaux Vidéo Electroménager Stationnaire… Décharge : modifications chimiques à la négative, insertion à la positive – KOH 8M NiOOH + e‐ + H2O = Ni(OH)2 + OH‐ MH = M + e‐ + Ni(OH)2 (MH : LaNi5H6 ; M : LaNi5) •‐ Energie spécifique: 80 Wh/kg ‐ 310 Wh/L •‐ Autodécharge ≈ 30% par mois @25°C •‐ Autodécharge ≈ 5%/mois@25°C •‐ Tension de cellule : 1.2 V •‐ Stockage facile •‐ Gamme de température étendue •‐ Décharge‐charge rapide ≥ 1C •‐ Cyclabilité : 500 ‐ 1000 cycles •‐ Etanche Inconvénients + OH‐ H+ Qualités – – •‐ Ne supporte pas bien surcharge •‐ Chauffe en charge •‐ Charge difficile à basse T •‐ Sensible aux températures élevées •‐ Coût 9 Vers l’accumulateur Li‐Ion Réser ve mondiale act uelle : 13M t 0.2% 0.3% 0.1% Chili 0.5% Chine 4.6% 59.7% 6.8% Argentine Australie Brésil 27.9% USA Zimbabwe • Solide le plus léger : 6,9 g/mol ; 0,53 g/cm3 • Solide le plus électropositif : – 3,045 V / ESH Qualités • Réaction violente avec l’eau • Peu stable à l’air Inconvénient Vers l’accumulateur Li‐Ion I ANODE ‐ Graphite CATHODE – TiS2, MoS2 + + + Li+ + + + + + + Lithium, métal Dendrite de Li • Problème de dendrites de Li après plusieurs cycles court‐circuit • Solution : utilisation d’un polymère ou de graphite (1991, Sony) 10
![[2] Qu`est-ce que la haute tension](http://s1.studylibfr.com/store/data/003033912_1-595c5f9c1318e2d57c81a3be6901076c-300x300.png)
