Accumulateur électrique
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2008-07-20T14:05:26Z
Manuguf
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typographie - élagage
{{voir homonymes|accumulateur}}
Un '''accumulateur électrique''' est un dispositif destiné à [[stockage d'énergie|stocker l'énergie]] [[électricité|électrique]] et à la restituer ultérieurement.
On distingue :
# Les accumulateurs d'énergie convertissant l'énergie électrique dans une autre forme afin de la stocker (par exemple en [[Énergie cinétique]]) et, qui sont capable de la restituer ultérieurement. Voir : [[stockage d'énergie]].
# Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'[[électrostatique]] : [[bouteille de Leyde]], [[condensateur]]s.
# Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'[[électrodynamique]] : [[bobine (électricité)|circuit bobiné]]
# Les accumulateurs [[électrochimie|électrochimiques]], fonctionnant grâce aux réactions électrochimiques de leurs électrodes, qui assurent la conversion de l''''énergie chimique''' en '''énergie électrique'''.
# Les [[Pile électrique|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).
[[Image:Secondary Cell Diagram.svg|thumb|200px|Principe des accumulateurs électrochimiques]]
== Généralités ==
[[Image:Jamais contente.jpg|thumb|La [[Jamais Contente]], électrique, première automobile à atteindre les 100km/heure]]
L'énergie électrique peut donc se stocker de différentes manières :
* Sous forme d'énergie [[électrostatique]], en accumulant des charges électriques dans un ou plusieurs [[Condensateur (électricité)|condensateur]]s. 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 [[Kilowatt-heure|Wh]] stocké nettement plus élevé.
* Sous forme d'énergie [[électromagnétique]], en établissant un courant électrique dans un [[bobine (électricité)|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 (métal)|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 [[supraconductivité|supraconducteur]]s. 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 ([[Potentiel électrique|différence de potentiel]]) à ses bornes peu dépendante de sa charge (quantité d'énergie stockée) ou du [[courant électrique|courant]] débité. On utilise la propriété qu'ont certains [[couple]]s 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 électrique|tension]] ou ''potentiel'' (en [[volt]]) est un paramètre important. Fixée par le [[potentiel d'oxydo-réduction]] du couple [[Réaction d'oxydo-réduction|redox]] utilisé, elle est de l'ordre de quelques volts pour un élément. Comme en pratique des tensions plus élevées, typiquement 12, 24 voire 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'électrons, parfois appelée à tort dans le langage courant [[capacité électrique]]) est généralement indiquée en '''(m)Ah''' ((milli)Ampère(s) pendant une heure) par le constructeur. Elle se mesure dans la pratique en multipliant un courant constant par le temps de charge/décharge, en Ah ([[ampère (unité)|ampère]]-[[heure (temps)|heure]]) ou mAh ([[milli]][[ampère (unité)|ampère]]-heure), mais l'unité officielle de charge ([[Système international d'unités|SI]]) est le [[coulomb (unité)|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. Elle n'est comparable que pour des valeurs de tension égales. Plus significative est donc :
=== Énergie stockée ===
L'énergie stockée se mesure usuellement en Wh ([[watt]]-heure) mais l'unité officielle (SI) est le [[joule (unité)|joule]].
:1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,278 mWh. le rapport entre les deux est la tension (à supposer qu'elle soit stable) par la formule 1 Wh <-> 1 Ah x 1 V <-> 1 A x 1 h x 1 V (valable uniquement en courant continu). En pratique inutile car la tension est variable (elle diminue proportionnellement à la charge), il faut juste retenir qu'une valeur Ah n'est pas comparable d'un voltage nominal à l'autre.
=== Débit maximum ===
Le débit maximum, ou puissance en pointe, d'un accumulateur se mesure en [[ampère (unité)|ampère]], ou encore en Watt (1 W = 1 A x 1 V). il est largement supérieur au débit d'utilisation courante et ne peut être maintenu sans risques. équivalent à
=== Impédance interne ===
L’impédance interne, exprimée en [[Ohm (unité)|Ohm]], impédance [[parasite (électricité)|parasite]] qui limite le courant de décharge, ainsi que la fréquence de ce courant, en transformant en chaleur par [[effet joule]] une partie de l'énergie restituée. En pratique, on assimile souvent l'impédance à la seule [[résistance (électricité)|résistance]] pure.
=== Charge maximale ===
La charge maximale supportable est mesurée en puissance instantanée de charge, donc en ampère, mais est souvent exprimée en unité de charge, c'est-à-dire rapportée 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 2Ah, et dans les 2 cas à une charge de 2 heures. Cette grandeur est également le débit maximum que peut délivrer la batterie de manière stable (souvent inférieur au débit de pointe).
=== Densité ===
La densité massique, ou énergie spécifique, 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.
La densité volumique, ou densité d'énergie, 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. On utilise plus couramment les Wh/dm3 soit Wh/l.
La densité de puissance en pointe, ou puissance spécifique correspond au débit ou à la puissance maximale rapportée à la masse de l'accumulateur, et s'exprime en ampère ou en watt par kilogramme (A/kg ou W/kg). De la même manière, on peut calculer la puissance rapportée au volume, moins usitée. Cette puissance spécifique est surtout fonction de la conductivité intrinsèque de l'accumulateur, qui doit offrir le moins de résistance possible au courant.
=== 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 milliers de cycles de charge et de décharge).
=== Forme physique ===
La forme physique est normalisée par la [[Commission Électrotechnique Internationale]] (CEI) et par l'[[American National Standards Institute]] (ANSI). Cependant un certain nombre d'appellations propres aux fabricants de piles subsiste.
{{Article détaillé|Format des piles et accumulateurs électriques}}
==Différentes technologies==
===[[Plomb]]-[[acide]]===
{{Article détaillé|Batterie au plomb}}
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 [[pollution|polluants]]. C'est le dispositif de stockage d'énergie électrique utilisé dans la plupart des [[véhicule]]s [[automobile]]s.
* 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 ».
[[Image:Bleigelakku.jpg|thumb|Batterie plomb, gel-acide, étanche, 12V 7A/H]]
* 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)===
{{Article détaillé|Accumulateur nickel-cadmium}}
[[Image:NiCd various.jpg|thumb|Accus Ni-Cd divers]]
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de '''1,2''' [[volt|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''' [[volt|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 [[pollution|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).{{Référence nécessaire}}
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)===
{{Article détaillé|Accumulateur 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)===
{{Article détaillé|Accumulateur 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{{Référence 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===
{{Article détaillé|Accumulateur 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]].
[[Image:Lipolyo1rp.jpg|thumb|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.{{Référence nécessaire}}
La durée de vie de ces accumulateurs n'est que de 2 à 3 ans après fabrication, indépendamment du nombre de cycles de charges.{{Référence nécessaire}}
Le [[Potentiel électrique|potentiel]] le plus répandu d'une cellule au [[lithium]]-[[ion]] est de 3,7 [[Volt|V]].
===Pile alcaline===
Contrairement aux mentions inscrites sur leurs [[emballage]]s, les piles alcalines « non rechargeables » peuvent elles aussi être [[régénération|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]] de la pile ou du moins la destruction du conteneur avec fuite des produits [[acide]]s. D'ailleurs, par sécurité et de façon générale, chaque chimie nécessite une méthode de charge spécifique donc un chargeur compatible.et encore que ce n'est pas fiable à 100 pour cent.Pour votre sécurité, demandez à un revendeur spécialisé.
Certes, les ''alcalines'' subiront un nombre de [[cycle]]s 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 [[volt|V]]), il est possible de les régénérer quelques dizaines de fois. En conséquence, cette possibilité est méconnue du grand public, d'autant qu'elle est réservée aux [[amateur averti|amateurs avertis]] des contraintes. De plus, cela ne peut être valable 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 [[manufacture|manufacturé]] en particulier par une société [[Canada|canadienne]]<ref>[http://www.pevi.ca/products.html Le fabricant canadien de piles alcalines rechargeables]</ref>. 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 la longue durée de conservation de la charge hors utilisation.
===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 que, de plus, le brome est particulièrement dangereux.
Les couples étudiés sont: [[sodium]]-brome, [[vanadium]]-brome et [[zinc]]-brome.
== Tableau comparatif des différentes technologies <ref>[http://www.clean-auto.com/spip.php?article3672 Énergie - Les batteries du 3ème millénaire]</ref>{{,}}<ref>[http://www.mines-energie.org/Dossiers/Stock2005_15.pdf note de l'][[ADEME]] sur le stockage électrochimique</ref>==
{| border=1 cellspacing=0 class="wikitable"
! Type || Densité massique en Wh/kg|| Densité volumique en Wh/L|| Tension d'un élément || puissance en pointe(massique) en W/kg|| Durée de vie <br/>(nombre de recharges) || auto-décharge par mois
|---- align=center
| width=80|Plomb/acide || 30-50 ||75-120|| 2 V ||700|| 400-1200 || 5 %
|---- align=center
| Ni-Cd || 45-80 ||80-150|| 1,2 V || ?||2000 || > 20 %
|---- align=center
| Ni-MH || 60-110 ||220-330|| 1,2 V ||900|| 1500 || > 30 %
|---- align=center
| Ni-Zn || 70-80 ||120-140|| 1,65 V ||1000|| > 1 000 || > 20 %
|---- align=center
| Na-NiCl2 (ZEBRA) || 120|| 180|| 2,6 V||200||800|| ->100%(12%/jour)
|---- align=center
| Pile alcaline || 80-160 ||?|| 1,5-1,65 V<ref>Cette appellation regroupe des piles de technologies diverses, d'où la variabilité</ref> ||?|| 25 à 500 || < 0,3 %
|---- align=center
| Li-ion || 150-190 ||220-330|| 3,6 V|| 1500 ||500-1000 || 10 %
|---- align=center
| Li-Po || 100-130||? || 3,7 V || 250 || 200-300|| 10 %
|---- align=center
| Li-PO4 (lithium phosphate)|| 120-140||190-220||3,2V||800||2000||5%
|---- align=center
| LMP (lithium metal polymer)||110||110||2,6V||320||?||?
|---- align=center
| Li-Air || 1500-2500 ||? || 3,4 V || 200 || ? ||?
|}
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. Attention 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 ===
{{reflist}}
===Articles connexes===
* [[Batterie d'accumulateurs]]
* [[Charge électrique]]
* [[Effet mémoire]]
* [[Pile électrique]]
* [[Stockage d'énergie]]
* [[Supercondensateur]]
{{Portail|électricité et électronique|chimie}}
[[Catégorie:Accumulateur]]
[[ar:خلية ثانوية]]
[[cs:Akumulátor]]
[[da:Akkumulator (elektrisk)]]
[[de:Akkumulator]]
[[en:Rechargeable battery]]
[[eo:Akumulatoro]]
[[es:Batería eléctrica]]
[[fi:Akku]]
[[hr:Akumulator]]
[[hu:Akkumulátor]]
[[it:Batteria ricaricabile]]
[[ja:二次電池]]
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[[lv:Akumulatoru baterija]]
[[nl:Oplaadbare batterij]]
[[pl:Akumulator elektryczny]]
[[ru:Электрический аккумулятор]]
[[sk:Sekundárny elektrochemický článok]]
[[sq:Akumulatori]]
[[sr:Акумулатор]]
[[tr:Akümülatör]]
[[uk:Акумулятор електричний]]
[[vi:Pin sạc]]
[[zh:蓄電池]]