Piles et accumulateursDenis Gurin Lyce Eiffel Dijon

Stockage de lnergie lectriqueHistoire

1799, Volta Alessandro

empilement dlments composs successivement dune lame de zinc, dune lame de feutre imbibe deau vinaigre et dune lame de cuivre,

pile : empilement de gnrateurs lmentaires

Stockage de lnergie lectrique1859 premier accumulateur rechargeable par Gaston Plant

Comporte deux feuilles de plomb roules en spirale, spares par une toile de lin et plonges dans un bac contenant une solution dacide sulfurique. Ces lectrodes, constitues initialement de plomb pur devaient tre formes par balayages de potentiels successifs.histoire

Stockage de lnergie

Premire batterie daccumulateurs conue par Gaston PlanthistoriqueGaston Plant

Stockage de lnergieAccumulateursCes gnrateurs lectrochimiques produisent du courant continu avec une diffrence de potentiel relativement faible (en gnral de 1 3 V). Pour obtenir une tension (diffrence de potentiel) plus leve, il faut utiliser plusieurs lments.PilesLes gnrateurs lectrochimiques qui ne peuvent en principe pas tre rechargs sont des piles.BatteriesUne batterie est un ensemble de gnrateurs raccords en srie (pour augmenter la tension) ou en parallle (pour avoir une plus grande capacit ou dlivrer plus de courant qu'avec un lment seul). Il existe des batteries de piles (par exemple la "pile" de lampe de poche de 4,5 V constitue de 3 lments de 1,5 V montes en srie) et des batteries d'accumulateur (comme par exemple les "batteries" prsentes dans les automobiles avec en gnral six lments de 2 V raccords en srie).Vocabulaire

les lectrodes dfinition : une lectrode est le compos qui, pendant une raction chimique perd des lectrons, s'oxyde ou subit une oxydation.

l'lectrode o une oxydation se produit est appele anode.

Le compos qui absorbe des lectrons se rduit ou subit une rduction. L'lectrode o se passe une rduction est une cathode.

Stockage de lnergieGnrateur lectrochimique

Stockage de lnergieGnrateur lectrochimiqueDans un gnrateur lectrochimique, les lectrons quittent l'anode vers le circuit extrieur et retournent au gnrateur par la cathode. Il ne peut y avoir d'oxydation d'une substance sans rduction d'une autre substance et vice versa, c'est pourquoi on parle d'oxydorduction, en abrg "rdox". Exemple du couple redox NiCd

Stockage de lnergie

Les lectrodes ne peuvent pas accumuler les charges lectriques,

il faut que le circuit soit "boucl" et que l'lectricit circule aussi intrieur du gnrateur.

Cela s'effectue au travers d'un compos, le plus souvent liquide, appel lectrolyte.

Stockage de lnergie

Stockage de lnergie

On empche le court circuit entre lectrodes en utilisant un sparateur qui ne conduit pas les lectrons (isolant) mais permet le passage des ions par des trous (pores) dans sa structure. Le sparateur des gnrateurs lectrolyte liquide est un matriau poreux (papier, plastique finement perfor, fibre de verre,...).

Stockage de lnergie

La quantit totale d'lectricit que le gnrateur a fourni pendant la dcharge est sa capacit, C = I t

La capacit s'exprime en Ampres-heures (Ah) ou (mAh)

Cette grandeur s'exprime en Coulombs dans le systme SI. 1 C = 1 A * 1 s = 1000 ma * 1/3600 heure = 0.28 mAh Capacit dun accumulateur

denis - Le problme de ces accumulateurs est videmment leur capacit relle. Il faut bien comprendre ce que veut dire le marquage constructeur.Une capacit annonce de 2000 mAh, ne veut videmment pas dire que l'accumulateur dlivrera 2 A pendant 1 heure ! Avec un tel courant il s'croulerait immdiatement. Cela veut dire qu'un accumulateur parfaitement neuf, charg, devrait pouvoir fournir le dixime du nominal, soit 200 mA pendant 10hdenis - A titre d'amusement comparons l'nergie massique d'une batterie NiMh de type R6 :Tension 1.4 V, capacit 1.5 A.h, masse 25 grammesnergie massique 1.5 * 1.2 / 0.025 = 72 Wh/kg

nergie massique des grosses et antiques batteries au plomb = 35 Wh/kgnergie massique des minuscules et modernes batteries NiMh = 72 Wh/kgnergie massique des lithium-Ion = 110 Wh/kg

Pour information, Pile combustible = 120 Wh/kgCe qui est extrmement loin (facteur 430 !) de l'essence ou du fuel (environ) = 15.000 Wh/kg et (facteur 1000 !) de l'hydrogne = 34.000 Wh/kg

Ces valeurs sont trs tonnantes et montrent que les remarquables batteries NiMh rcentes ont peine le double de capacit des antiques batteries au plomb (qui galent celle des anciennes CdNi), mais c'est dj trs bien !Les nouvelles technologies (Lithium et autres) ont des performances bien meilleures, mais malheureusement le rendement nergtique des carburants fossiles est tellement plus grand, que les voitures et bateaux lectriques ne sont pas pour demain.

Stockage de lnergieCapacit relle

La capacit dpend du rgime auquel est effectue la dcharge. Plus le temps de la dcharge est court, donc le rgime lev, plus la capacit est faible.

marquage constructeur :Une capacit annonce de 2000 mAh, ne veut videmment pas dire que l'accumulateur dlivrera 2 A pendant 1 heure ! Avec un tel courant il s'croulerait immdiatement. Cela veut dire qu'un accumulateur parfaitement neuf, charg, devrait pouvoir fournir le dixime du nominal, soit 200 mA pendant 10h.

Stockage de lnergieDensit dnergie massiqueDensit de puissance massiqueCyclabilitRsistance interneautodchargeCaractrisation

Stockage de lnergienergie massique d'une batterie NiMh de type R6 :Tension 1.4 V, capacit 1.5 A.h, masse 25 grammesnergie massique 1.5 * 1.2 / 0.025 = 72 Wh/kg

nergie massique des grosses et antiques batteries au plomb = 35 Wh/kgnergie massique des minuscules et modernes batteries NiMh = 72 Wh/kgnergie massique des lithium-Ion = 150 Wh/kg

Pour information, l'essence ou du fuel (environ) = 15.000 Wh/kg et de l'hydrogne = 34.000 Wh/kg Energie massique

Stockage de lnergieNickel Cadmium

Stockage de lnergieNickel Cadmium grande capacit

Stockage de lnergieNickel Metal Hydrure

denis - Les accus NiMh ont par contre le dfaut (nul n'est parfait...) d'avoir une rsistance interne plus importance que les accus NiCd et ainsi de ne pas convenir pour la propulsion. La technologie Mtal Hydrure est trs avantageuse pour alimenter nos metteurs et nos rcepteurs.

Dernirement, des lments supportant des dcharges rapides (20 30 A) sont apparut. L'utilisation de ces lments pour la propulsion est possible permettant ainsi d'augmenter l'autonomie de nos modles ( suivre...)

Stockage de lnergieLithium Ion

denis - LA DECHARGE DES ACCUS AU LITHIUM

Comme pour les autres technologies les accus au Lithium ont une tension minimum de dcharge en dessous de laquelle il ne faut surtout pas les dcharger sous peine de destruction des lments.

La tension basse de destruction est de 2,5 Volts Mais en utilisation il ne faut pas descendre en dessous de 3 Volts.

De toute faon entre les deux cel va trs vite la courbe de tension en dcharge chute trs trs vite.

L'autodcharge des accus au Lithium est d'environ 10% par mois.

Les accus au Lithium sont aujourd'hui capables de dbiter de forts courants. Leur rsistance interne s'approche maintenant de celle des accus Ni-Cd ou Ni-MH. Rsistance interne du Li-ion : environ 150 250 milliOhms

Rsistance interne du Li-po : environ 200 300 milliOhms

Cel permet cette technologie de dbiter des courants un taux de 1C pouvant aller plus de 2C. Certains modles spciaux Li-po sont aujourd'hui capables de dbiter des courants de 10C pouvant aller 15C en pointe.

Attention ne jamais mettre en court-circuit un accumulateur au Lithium.

Il y a un fort risque d'chauffement interne pouvant entraner l'inflammation de l'accu (Li-po) et mme l'explosion du botier (Li-ion). Donc : Attention aux surfaces sur lesquelles vous posez vos accus, Il ne faut pas qu'elles soient conductrices.

Ne rangez pas vos accus en vrac,

Pour les radiomodlistes, faites attention aux packs qui ont subi un crash, certains Li-po ayant subi des "lsions" internes se sont enflamms spontanment au bout de quelques dizaines de minutes...

Aujourd'hui pour prvenir ce genre de risque , la plupart des accus au Lithium vendus en pack sont quips de circuits de protections et notamment d'un fusible, pour protger des ventuels court-circuits. Inutile de vous rappeler que dans ce cas, si le fusible fonctionne, le pack est inutilisable. Il part au recyclage...

Stockage de lnergieLithium Ion

Stockage de lnergie

La nouvelle batterie de Toshiba peut recharger 80% de la capacit nergtique de la batterie en une minute

60 fois plus rapide que les batteries ion-lithium habituelles. densit nergtique se situe entre 150 et 250 Wh (Wattheure)/litre

Les batteries rechargeables ion-lithium atteignent des densits de 600 Wh/l. Application des nanotechnologiesaux batteries Lithium Ion Toshiba Corp.

denis - Il sagit srement de la premire batterie ion-lithium au monde qui peut tre charge en une minute. Cette batterie prsente un fort potentiel. Elle pourrait tre utilise pour les tlphones portables dans le futur mais, nous avons donn la priorit des applications telles que les voitures qui ont besoin dun temps de recharge rapide et dune dure de cycle longue , explique Norio Takami, directeur du Laboratoire de matriaux fonctionnels avancs du Centre de recherche et dveloppement de Toshiba. La batterie prototype de Toshiba prsente une capacit de 600mAh et mesure 8 mm dpaisseur, 62 mm de hauteur et 35 mm de profondeur. Elle a t teste sur un lecteur audio dot dun disque dur pendant environ 10 minutes avec une vitesse de chargement de 5 milliwatts en 5 secondes. Selon M. Takami, on observe une dtrioration de la capacit de la batterie infrieure 1% aprs 1 000 cycles de charge/dcharge. La batterie comprend une anode en cobalt et une cathode compose dun matriau non carbone la place du matriau carbone utilis dans les batteries ion-lithium conventionnelles. Cependant, Toshiba lappelle batterie ion-lithium parce que le mouvement de la charge lectrique dpend de lion-lithium. Toshiba a ralis ce progrs scientifique en utilisant des nanoparticules de plusieurs centaines de nanomtres enrobes uniformment sur llectrode ngative et une solution lectrolytique rcemment dveloppe. Cette formulation stable ne ragit pas avec les ions lithium au niveau de la cathode dune manire qui pourrait rduire la dure de cycle de la batterie. La solution lectrolytique et les nanoparticules permettent un grand nombre dions lithium de se dplacer rapidement vers la cathode et dtre stocks dans les particules en mode de recharge. Avec une solution lectrolytique stable, la batterie se dcharge de 80% de sa capacit moins 40C, contre 100% 25C pour les batteries ion-lithium conventionnelles. En fonctionnement temprature leve, Toshiba prcise que la capacit ne se dtriore que de 5% 45C aprs 1 000 cycles de charge/dcharge. La tension de la batterie, qui na pas t dvoile par Toshiba, est infrieure aux 3,6 volts des batteries ion-lithium actuelles. Toshiba prvoit de dmarrer la production en srie de la batterie au cours de son exercice 2006, clos en mars 2007. La production de la batterie risque toutefois dtre complique aprs la fermeture par Toshiba dAT Battery, sa filiale ddie aux batteries ion-lithium, en dcembre dernier, et la vente des usines de fabrication de batteries Sanyo Electric Co. Ltd. lt dernier. Toshiba rflchit prsent la question de la commercialisation de la batterie.

Stockage de lnergiePanorama des batteriesPlomb

Accumulateurs pour automobiles, onduleurs

Pour Grande capacit volumique Fort courant de dcharge ( centaines d'ampres ) Trs faible rsistance interne Contre Trs lourds Electrolyte liquide (acide)Tension d'un lment 2V

Stockage de lnergiePanorama des batteriesNickel Cadmium

Ni-Cd pourLes plus courants, charge facile Acceptent une surcharge Possibilit de charge rapide Fort courant de dcharge Faible autodcharge Contre Problme d'effet mmoire Pollution du Cadmium (interdit en 2007)Tension d'un lment 1,2V

Stockage de lnergiePanorama des batteriesNickel Mtal hydrure

Ni-Mh pourPlus grande capacit (+40%) Pas d'effet mmoire Contre Charge plus dlicate Courant de dcharge plus limitTension d'un lment 1,2V

Stockage de lnergiePanorama des batteriesLithium Ion

Tlphones GSM, ordinateurs portables, camscopes. Pour La plus grande capacit Meilleure gestion du niveau de charge Contre Cot lev Chargeur spcifiqueTension d'un lment 3,6V

Stockage de lnergieSupercondensateurs