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Accumulateur électrique

Un accumulateur électrique ou simplement un accumulateur pour les techniciens accu, est un dispositif destiné à stocker l'énergie électrique, sous forme électrique (condensateur) ou accumulateurs électrochimiques, parfois appelés à tort pile rechargeable.

On distingue aussi les accumulateurs électriques des dispositifs plus complexes, qui convertissent de l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière,...) pour la stocker sous une autre forme (par exemple cinétique) et qui peuvent ensuite reconvertir cette énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) dans l'autre sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi de son...) pour générer de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie...) (voir : stockage d'énergie).

Lorsque l'on parle d'éléments rechargeables on utilise le terme d'accumulateur. On les distingue des piles électriques qui ne sont par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) pas rechargeables. Les piles fournissent la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) d'électricité prévue à leur fabrication (aucune charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.), ni préparation n'est nécessaire avant utilisation).

Généralités

La Jamais Contente
La Jamais Contente (La Jamais Contente a été le premier véhicule automobile à franchir le cap des 100 km/h. C'était une voiture électrique en forme de torpille sur roues et le record a été établi, selon les sources, le 29 avril ou le...)

L'énergie électrique peut se stocker de différentes manières :

  • Sous forme d'énergie électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.), 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 un gain de poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de la résultante des...) et un fonctionnement possible par très grand froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) (véhicules polaires). Avec un inconvénient de taille le prix au Wh stocké nettement plus élevé.
  • Sous forme d'énergie électromagnétique (Les forces électrostatiques et magnétiques peuvent faire déplacer des objets à distance, il semble donc évident qu'à tout phénomène électromagnétique...), en établissant un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un...) dans un circuit bobiné autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit...) d'un circuit magnétique (Un circuit magnétique est un circuit généralement réalisé en matériau ferromagnétique au travers duquel circule un flux de champ 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 (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) et le cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...) en raison des pertes par effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs, à l'exception des supraconducteurs qui...) dans le circuit ; un stockage de longue durée nécessite ainsi l'utilisation de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 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 (La tension est une force d'extension.) (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 (Étymologiquement l'électrotechnique désigne l'étude des applications techniques de l'électricité. En réalité, l'électrotechnique regroupe les disciplines traitant l'électricité en tant qu'énergie. On peut citer la...), principalement le dispositif électrochimique.

Caractéristiques d'un accumulateur électrochimique

  • La tension ou potentiel (en volt) est un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) important. Fixée par le potentiel d'oxydo-réduction du couple redox utilisé, elle est de l'ordre de quelques volts pour un élément. Comme en pratique on désire des tensions plus élevées, (typiquement 12, 24 voire 48 V), pour augmenter la tension on raccorde des éléments en série au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse...) d'une batterie d'accumulateurs ; (c'est sans 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 (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) d'un courant électrique, comme si l'appareil électrique " battait " celui qui reçoit la décharge).
  • La capacité électrique (La capacité représente la quantité de charge électrique stockée pour un potentiel électrique donné. Elle est définie comme étant la somme des charges électriques d'un élément divisé par...) est généralement indiquée en A.h (Ampère(s) pendant une heure) par le constructeur. Elle se mesure dans la pratique par référence au temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure), mais l'unité officielle (SI) est le coulomb.
1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C ; 1 C = 1 Ah/3 600 = 0,278 mAh.
  • 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 = 0,278 mWh.
  • Le débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) maximum d'un accumulateur se mesure en ampère (Ampère peut désigner :).
  • L’impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée...), exprimée en ohm, impédance parasite qui limite le courant de décharge, ainsi que la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on...) de ce courant, en transformant en chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) par effet joule une partie de l'énergie restituée. En pratique, on assimile souvent l'impédance à la seule résistance pure.
  • La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C...) massique est une des caractéristiques importantes d'un accumulateur, elle correspond à la quantité d'électricité (Ah/kg) ou d'énergie (Wh/kg) qu'il peut restituer par rapport à sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...).
  • La densité volumique est une autre caractéristique qui peut avoir son importance, elle correspond à la quantité d'électricité (Ah/m³) ou d'énergie (Wh/m³) qu'il peut restituer par rapport à son volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.).

Différentes technologies

Plomb-acide

La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2 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.

  • L'accumulateur au plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) a été inventé par Gaston Planté qui observait l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) acidulée.
    • En essayant le plomb dans sa recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) 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 (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) et l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) pouvaient rendre l'électricité qui les avait produits.
    • Il crut avoir inventé la pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la...), 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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) du plomb.
    • Son appareil se composait de deux lames de plomb maintenues écartées par des bandes isolantes. Pour augmenter la surface des électrodes, Planté enroula concentriquement deux bandes de plomb séparées par deux intercalaires de caoutchouc pour éviter tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) contact entre elles, le tout contenu dans un bocal de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de...) rempli d’eau acidulée.
    • Pour obtenir une capacité de décharge importante, G. 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 (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des...) des batteries est facile. Le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) 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 (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) de batteries devient inférieur au prix du kilogramme de ferraille.
  • La durée de vie (La vie est le nom donné :) 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 (Un système embarqué peut être défini comme un système électronique et informatique autonome, qui est dédié à une tâche bien précise....) de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) très poussé afin de fournir les meilleures performances possibles.

Ni-Cd (Nickel-cadmium)

Accus Ni-Cd divers
Accus Ni-Cd divers

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 (L'effet mémoire est un phénomène physico-chimique affectant les performances des accumulateurs électriques.), 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de cycles charge/décharge plus important que les accus Li-ion et beaucoup plus important que les Ni-MH (durée de vie supérieure).

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 (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) 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 (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) en France entre 1998 et 2005.

Le NiZn constitue désormais un système à la fois d'énergie et de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), 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 (La notion d'élément-traces métalliques, ou ETM (anciennement métaux lourds), est actuellement une notion relativement floue, sans définition scientifique, technique ou...), et il est aisément et intégralement recyclable en fin de vie.

Lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.)

Les accumulateurs à base de lithium sont d'une technologie récemment mise au point (Graphie) et en cours de développement intense, présentant un très important potentiel électrochimique.

On distingue la technologie Lithium métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le...) 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.

Pile alcaline

Contrairement aux mentions inscrites sur leurs emballages, les piles alcalines " non rechargeables " peuvent elles aussi être régénérées partiellement. Mais seulement avec un chargeur adapté à cet usage. Les chargeurs standard (Ni-MH ou Ni-Cd) utilisent des méthodes de charges non appropriées qui rendent l'opération dangereuse, pouvant aller jusqu'à l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation...) de la pile ou du moins la destruction du container avec fuite des composants acides. D'ailleurs, par sécurité et de façon générale, chaque chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage...) nécessite une méthode de charge spécifique donc un chargeur compatible.

Certes, les alcalines subiront un nombre de cycles moins grand qu'un accumulateur, 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), il n'est possible de les régénérer que quelques dizaines de fois au maximum. En conséquence, cette possibilité est méconnue du grand public, d'autant qu'elle est réservée aux amateurs avertis des contraintes. De plus, cela ne peut être rentable que pour certains usages.

Alcaline rechargeable

Il existe depuis les années 2000 une version améliorée dite alcaline rechargeable, spécifiquement destinée à être rechargée de nombreuses fois. Ce produit est manufacturé en particulier par une société canadienne Pure énergie. Elle est disponible dans le commerce de façon presque confidentielle.

Ce type de piles alcalines est particulièrement adapté aux appareils qui ne déchargent ni trop vite, ni trop profondément leurs accumulateurs. Mais elles peuvent servir d'"accu de secours" grâce à leur longue durée de conservation de la charge hors utilisation.

En France les Alcalines rechargeables

Le fabricant canadien

Brome

Actuellement au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) de prototype, les accumulateurs à base de brome seront probablement réservés aux installations fixes car ils nécessitent la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) de l'électrolyte et que, de plus, le brome est particulièrement dangereux.

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

Tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) comparatif des différentes technologies

Type Énergie massique Tension d'un élément Durée de vie
(nombre de recharges)
Temps de charge auto-décharge
par mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.)
Plomb 30-35 Wh/kg 2 V 200-300 8-16 h 5 %
Ni-Cd 40-55 Wh/kg 1,20 V 1 500 1 h > 20 %
Ni-MH 60-70 Wh/kg 1,20 V 300-600 2-4 h > 30 %
Ni-Zn 70-80 Wh/kg 1,65 V > 1 000 1-3 h > 20 %
Pile Alcaline 80-160 Wh/kg 1,50-1,65 V < 50 1-16 h
(selon capacité)
< 0,3 %
Li-ion 90-160 Wh/kg 3,7 V 500-700 2-4 h 10 %
Li-Po 80-130 Wh/kg 3,7 V 300-500 2-4 h 10 %
Li-Air 1500-2500 Wh/kg 3,4 V  ?  ?  ?

À noter que la batterie Li-Po(lymère) est effectivement moins performante que la Li-ion mais fabriquée différemment. Elle prend moins de place que la Li-ion. Par conséquent une batterie Li-Po de même taille qu'une batterie Li-ion possède une capacité plus importante (contrairement à ce que semblerait laisser penser ce tableau).

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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