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 3 (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. 1 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 2 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 3 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