Accumulateur électrique

Un accumulateur électrique est un dispositif destiné à stocker l'énergie électrique et à la restituer ultérieurement.

On distingue :

1. 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. Voir : stockage d'énergie ;
2. Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'électrostatique : bouteille de Leyde, condensateurs ;
3. Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'électrodynamique : circuit bobiné ;
4. Les accumulateurs électrochimiques, fonctionnant grâce aux réactions électrochimiques de leurs électrodes, qui assurent la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique ;
5. Les piles 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).

Sommaire 1 Généralités 2 Caractéristiques générales des accumulateurs électrochimiques 2.1 Tension électrique 2.2 Charge électrique 2.3 Énergie stockée 2.4 Débit maximum 2.5 Impédance interne 2.6 Courant de charge maximum 2.7 Densité 2.8 Vieillissement et usure 2.9 Forme physique 3 Différentes techniques[2] 3.1 Plomb-acide 3.2 Ni-Cd (nickel-cadmium) 3.3 Ni-MH (nickel-métal hydrure) 3.4 Ni-Zn (nickel-zinc) 3.5 Lithium 3.6 Pile alcaline 3.7 Pile Alcaline rechargeable 3.8 Brome 4 Tableau comparatif des différentes techniques[5],[6] 5 Voir aussi 5.1 Notes et références 5.2 Articles connexes

Généralités

L'énergie électrique peut donc se stocker de différentes manières :

• Sous forme d'énergie électrostatique, en accumulant des charges électriques dans un ou plusieurs condensateurs. L'apparition, vers 1995, de condensateurs dont la capacité peut atteindre quelques centaines de farads permet de réaliser des substituts aux batteries d'accumulateurs classiques. Les avantages sont une diminution du poids et un fonctionnement possible par très grand froid (véhicules polaires). Avec un inconvénient de taille le prix au kWh stocké nettement plus élevé.

• Sous forme d'énergie électromagnétique, en établissant un courant électrique dans un circuit bobiné autour d'un circuit magnétique, de telle sorte que l'énergie nécessaire pour mettre en mouvement les charges électriques puisse être restituée par induction. La durée de stockage de l'énergie reste faible même avec les meilleurs métaux conducteurs que sont l'argent et le cuivre en raison des pertes par effet Joule dans le circuit ; un stockage de longue durée nécessite ainsi l'utilisation de matériaux supraconducteurs. Les dispositifs ainsi réalisés sont connus sous le nom de SMES : Superconducting Magnet Energy Storage.

• Sous forme électrochimique, qui présente la caractéristique intéressante de fournir une tension (différence de potentiel) à ses bornes peu dépendante de sa charge (quantité d'énergie stockée) ou du courant débité. On utilise la propriété qu'ont certains couples chimiques d'accumuler une certaine quantité d'électricité en modifiant leur structure moléculaire et ceci de manière réversible.
  • Différents types de couples chimiques sont utilisés pour la réalisation d'accumulateurs électriques.

Compte tenu des limites des techniques de stockage direct de l'électricité, le mot accumulateur désigne en électrotechnique principalement le dispositif électrochimique.

Caractéristiques générales des accumulateurs électrochimiques

Tension électrique

La tension ou potentiel (en volt) est un paramètre important. Fixée par le potentiel d'oxydo-réduction du couple redox utilisé, elle est de l'ordre de un à quelques volts pour un élément. Comme en pratique des tensions plus élevées, typiquement 12, 24 voir 48 V et plus sont requises, il suffit pour augmenter la tension de raccorder des éléments du même type en série au sein d'une batterie d'accumulateurs. C'est sans aucun doute l'origine du terme « batterie » comme synonyme courant d’ « accumulateur » et, en anglais, de « pile » ; toutefois certains évoquent une autre source étymologique possible : l'effet de choc d'un courant électrique, comme si l'appareil électrique « battait » celui qui reçoit la décharge.

Charge électrique

La charge électrique (une quantité d'électricité emmagasinée par l'accumulateur), se mesure en Ah ou mAh ((m)Ah : (milli)ampère(s) pendant une heure). Elle se mesure dans la pratique en multipliant un courant constant par le temps de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure), mais l'unité officielle de charge (SI) est le coulomb équivalent à un As (ampère pendant une seconde) : 1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C ; 1 C = 1 Ah/3 600 = 0,278 mAh. Ne pas confondre charge électrique et énergie stockée (voir ci-dessous).

La capacité de charge électrique, souvent appelée dans le langage courant capacité de l'accumulateur est la charge électrique que peut fournir l'accumulateur complètement chargé pendant un cycle complet de décharge. Sa valeur initiale théorique doit être indiquée par le constructeur, suivant la règlementation actuelle (en Ah ou mAh voir ci-dessus). Elle dépend de l'intensité de décharge (comme l'a établi la loi de Peukert) et elle diminue au fur et à mesure de la vie de l'accumulateur. La méthode de mesure la plus répandue consiste à mesurer, pour un courant de décharge constant donné, le nombre d'heures durant lesquelles l'accumulateur fournit ce courant, avec une tension supérieure à la tension de seuil (qui vaut, par exemple, 0,9 V pour un accumulateur NiMH). La capacité mesurée est alors le produit du nombre d'heures par le courant fourni. La tension à vide de l'accumulateur, facile à mesurer avec un voltmètre, ne donne généralement pas une indication fiable de la charge restant dans l'accumulateur, sauf dans le cas de la technologie Lithium-Ion.

Énergie stockée

L'énergie stockée dans la batterie est égale à sa charge électrique multipliée par la tension moyenne sous laquelle cette charge est déchargée. L'énergie stockée se mesure usuellement en Wh (watt-heure) mais l'unité officielle (SI) est le joule.

1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,279 mWh.

Débit maximum

Le débit maximum, ou courant de pointe, d'un accumulateur se mesure en ampère. Il est généralement spécifié en amplitude et en durée et est généralement largement supérieur au débit permanent autorisé.

Impédance interne

L’impédance interne, exprimée en ohm, est l'impédance parasite qui provoque une chute de tension en décharge et, par conséquent, limite le courant de décharge. Comme les accumulateurs sont des dipôles non linéaires, elle est généralement mesurée pour des faibles variations de tension et de courant (de l'ordre de 10 mV, pour la tension). Sa mesure requiert un appareillage spécialisé. La résistance interne, qui est la partie réelle de l'impédance, est assez simple à mesurer au moyen d'un voltmètre et d'un ampèremètre.

Courant de charge maximum

Le courant maximum supportable pendant la recharge est indiqué en ampère, mais est souvent exprimé en unité de charge, c'est-à-dire rapporté à la capacité. L'unité de charge est le rapport entre le courant de charge en A et la capacité C en Ah. Une valeur de 0,5 C correspondant à 0,5 A pour une capacité de 1 Ah ou à 1 A pour une capacité de 2 Ah, et dans les deux cas à une charge de 2 heures.

Densité

La densité massique, ou énergie spécifique, est une des caractéristiques importantes d'un accumulateur, elle correspond à la quantité d'énergie (Wh/kg) qu'il peut restituer par rapport à sa masse.

La densité volumique, ou densité d'énergie, est une autre caractéristique qui peut avoir son importance, elle correspond à la quantité d'énergie (Wh/m³) qu'il peut restituer par rapport à son volume. On utilise plus couramment les Wh/dm³ soit Wh/L.

La densité de puissance en pointe, ou puissance spécifique, correspond à la puissance maximale rapportée à la masse de l'accumulateur, et s'exprime en Watt par kilogramme (W/kg). De la même manière, on peut calculer la puissance rapportée au volume, moins usitée. Cette puissance spécifique est surtout fonction inverse de la résistance interne de l'accumulateur.

Vieillissement et usure

Le vieillissement et l'usure entrainent une perte progressive de la capacité des batteries avec le temps (plusieurs années) et l'usage (plusieurs centaines ou milliers de cycles de charge et de décharge). Ils sont souvent fortement dépendant des conditions d'emploi (amplitude du cyclage, température de stockage et d'utilisation).

Forme physique

Certains éléments sont fabriqués selon les normes établies par la Commission électrotechnique internationale (CEI) et par l'American National Standards Institute (ANSI). Cependant, beaucoup de formes physiques sont propres aux fabricants d'accumulateurs, ou correspondent à des besoins particuliers des utilisateurs. Ce dernier cas est celui de la plupart des batteries de téléphones portables.

Le marquage RECHARGEABLE est obligatoire sur les accumulateurs NiMH et NiCd^[1]. Sur certains accumulateurs, il figure en très petits caractères. Lorsque le marquage est illisible ou effacé, sur les éléments cylindriques, on peut distinguer les accumulateurs des piles alcalines par le fait que les accumulateurs ont souvent une borne supérieure (pôle +) entourée de plastique, alors que les piles alcalines ont une borne supérieure en métal. La connaissance de ce détail peut permettre d'éviter des erreurs, mais attention: la règle n'est pas absolue.

Différentes techniques^[2]

Plomb-acide

La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2 V. Il s'agit du couple le plus ancien. C'est le dispositif de stockage d'énergie électrique utilisé pour la batterie de démarrage de la plupart des véhicules automobiles.

• L'accumulateur au plomb a été inventé par Gaston Planté qui observait l'électrolyse de l'eau acidulée.
  • En essayant le plomb dans sa recherche de matières plus économiques que le platine, il remarqua que son appareil rendait de l'électricité lorsqu'on coupait l'alimentation ; comme si l'oxygène et l'hydrogène pouvaient rendre l'électricité qui les avait produits.
  • Gaston Planté crut avoir inventé la pile à combustible, mais comprit vite que ce n'était pas l'oxygène et l'hydrogène gazeux qui rendaient le courant, mais la modification chimique (oxydation) de la surface du plomb.
  • Son appareil se composait de deux lames de plomb maintenues écartées par des bandes isolantes. Pour augmenter la surface des électrodes, Gaston Planté enroula concentriquement deux bandes de plomb séparées par deux intercalaires de caoutchouc pour éviter tout contact entre elles, le tout contenu dans un bocal de verre rempli d’eau acidulée.
  • Pour obtenir une capacité de décharge importante, Gaston Planté constata qu’il était nécessaire de faire subir aux électrodes une série de cycles charge/décharge qui constituait ce qu’il appela « la formation ».

• Le fonctionnement de la batterie ne disperse pas de plomb.
• Le plomb est un polluant, en revanche le recyclage des batteries au plomb 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 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 100 fois^{[réf. nécessaire]}) mais sa décharge naturelle est 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 que les Ni-MH (durée de vie supérieure).^{[réf. nécessaire]}

Ce couple électrochimique a été l'un des plus couramment utilisés pendant plusieurs décennies pour fabriquer des batteries d'accumulateurs alimentant les appareils portatifs. Pour la plupart de ces applications il est en voie d'abandon, au profit du Ni-Mh et du Li-Ion. Malgré l'augmentation considérable des cours du nickel ces dernières années, son marché se maintient dans ses usages industriels (applications aéronautiques, ferroviaires, stationnaires, où son utilisation reste autorisée) en raison de ses performances (notamment sa forte puissance spécifique).

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.

Lorsque la charge est rapide (en termes techniques, avec un courant au moins égal à C/5), la fin de charge est caractérisée par une variation de la tension en charge (δv/δt) très faiblement négative. C'est ce seuil, de l'ordre de quelques millivolts, 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 technique 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^{[réf. nécessaire]}, 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 technique récemment mise au point et en cours de développement, présentant un très important potentiel électrochimique.

On distingue la technique lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose d'importants problèmes de sécurité, ce qui limite l'emploi de ce couple)), et la technique 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. Des problèmes de sécurité demeurent (prise de feu) en cas de surcharge, de décharge trop rapide ou de court-circuit. Les accumulateurs lithium-ion sont parfois remplacés par leur variante lithium polymère dite Li-Po. Son couple électrochimique est le même, mais un gel polymère fige l'électrolyte, ce qui permet de réduire son contenant à une simple enveloppe plastique souple. Le polymère ralentissant le déplacement des ions, l'aptitude à la fourniture de courants importants est réduite et donc sa puissance spécifique (voir définition plus haut) est généralement inférieure à celle des éléments Li-Io de même capacité.

La durée de vie de ces accumulateurs n'est que de 2 à 4 ans après fabrication, indépendamment du nombre de cycles de charges^[2].

Le potentiel le plus répandu d'une cellule au lithium-ion est de 3,7 V.

Pile alcaline

Contrairement aux mentions inscrites sur leurs emballages, les piles alcalines « non rechargeables » peuvent elles aussi être régénérées partiellement. Mais seulement avec un dispositif adapté à cet usage. Les chargeurs standard (Ni-MH ou Ni-Cd) sont conçus pour injecter des courants beaucoup trop élevés par rapport à ce que la pile peut supporter. Si malgré tout on tente de le faire, le joint de sécurité de la pile, qui est prévu pour s'ouvrir en cas de surpression, doit s'ouvrir et libérer l'électrolyte (qui est de la potasse), rendant la pile inutilisable. Il faut noter également que les chargeurs évolués comportent une fonction de détection du type de pile où d'acccumulateur inséré. De façon générale, chaque dispositif électrochimique nécessite une méthode de charge spécifique, et donc un chargeur compatible.

Les piles alcalines usuelles ne sont pas conçues pour plus d'une vingtaine de cycles, même en restant dans les conditions idéales de réversibilité de la réaction chimique (en particulier, en ne déchargeant jamais les éléments à moins de 1,25 V). Ce ne sont pas des accumulateurs au sens habituel du terme

Pile Alcaline rechargeable

Il existe depuis les années 1990 une version améliorée dite alcaline rechargeable, spécifiquement destinée à être rechargée de nombreuses fois. Elle est issue des travaux de Karl Kordesch, le co-inventeur de la pile alcaline, et de ses collaborateurs^[3]. Comme les accumulateurs NiMH et NiCd, elle a connu de nombreux perfectionnements. Ce type de pile, fabriqué dans les années 1990 par la société Rayovac est actuellement manufacturé en particulier par une société canadienne^[4]. Force est de constater qu'il ne génère pas de revenus comparables à ceux des autres piles alcalines (vendues pour une seule utilisation, et donc destinées à être achetées en grandes quantités par les clients), et il est disponible dans le commerce de façon presque confidentielle.

Ce type de piles alcalines ne peut pas délivrer des courants aussi intenses que les accumulateurs NiMH, qui sont particulièrement polyvalents, mais il a deux avantages notables :

• d'une part, les piles alcalines rechargeables ont une tension nominale de 1,5V, ce qui convient bien à beaucoup d'appareils conçus pour fonctionner avec des piles alcalines

• d'autre part, les piles alcalines rechargeables ont une longue durée de conservation de la charge hors utilisation (plusieurs années), et sont parfaitement adaptées en tant qu' d’accu de secours, par exemple

Brome

Actuellement au stade de prototype, les accumulateurs à base de brome seront probablement réservés aux installations fixes car ils nécessitent la circulation de l'électrolyte et, de plus, le brome est particulièrement dangereux.

Les couples étudiés sont : sodium-brome, vanadium-brome et zinc-brome.

Tableau comparatif des différentes techniques^[5],[6]

Type	Energie massique en Wh/kg	Energie volumique en Wh/l	Tension d'un élément	Puissance en pointe (massique) en W/kg	Durée de vie (nombre de recharges)	Autodécharge par mois
Plomb/acide	30 - 50	75 - 120	2,25 V	700	400 - 800	5 %
Ni-Cd	45 - 80	80 - 150	1,2 V	?	1 500 - 2 000	> 20 %
Ni-MH	60 - 110	220 - 330	1,2 V	900	800 - 1 000	> 30 %
Ni-Zn	70 - 80	120 - 140	1,65 V	1 000	> 1 000	> 20 %
Na-NiCl2 (ZEBRA)	120	180	2,6 V	200	800	→ 100 % (12 %/jour)
Pile alcaline	80 - 160	?	1,5 - 1,65 V[7]	?	25 à 500	< 0,3 %
Li-ion	90 - 180	220 - 400	3,6 V	1 500	500 - 1 000	2 %
Li-Po	100 - 130	?	3,7 V	250	200 - 300	2 %
Li-PO4 (lithium phosphate)	120 - 140	190 - 220	3,2 V	800	2 000	5 %
LMP (lithium metal polymer)	110	110	2,6 V	320	?	?
Li-Air	1 500 - 2 500	?	3,4 V	200	?	?
Ni-Li[8]	935	?	3,49 V	?	?	?

L'accumulateur Li-Po(lymère) est moins performant que le Li-ion mais fabriqué différemment. Il prend moins de place que le Li-ion. Par conséquent une batterie Li-Po de même taille qu'une batterie Li-ion possède une capacité plus importante. Le tableau précédent donne le rapport entre l'énergie stockée (les Wh) et la masse de la batterie (en kg). Or, une batterie Li-Po est plus dense qu'une Li-ion, d'où la différence.

Voir aussi

Notes et références

Articles connexes

• Chargeur (électricité)
• Batterie d'accumulateurs
• Batterie au plomb
• Charge électrique
• Effet mémoire
• Pile électrique
• Stockage d'énergie
• Supercondensateur

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