Piles et accumulateurs. Denis Guérin STI2D Eiffel DIJON

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1 Piles et accumulateurs

2 électrique histoire 1799, 1 er pile : Volta Alessandro empilement d éléments composés successivement d une lame de zinc, d une lame de feutre imbibée d eau vinaigrée et d une lame de cuivre, «pile» : empilement de générateurs élémentaires

3 électrique histoire 1859 premier accumulateur rechargeable par Gaston Planté Comporte deux feuilles de plomb roulées en spirale, séparées par une toile de lin et plongées dans un bac contenant une solution d acide sulfurique. Ces électrodes, constituées initialement de plomb pur devaient être formées par balayages de potentiels successifs.

4 histoire historique 1859 premier accumulateur rechargeable par Gaston Planté Gaston Planté Première batterie d accumulateurs conçue par Gaston Planté

5 Vocabulaire Accumulateurs Ces générateurs électrochimiques produisent du courant continu avec une différence de potentiel relativement faible (en général de 1 à 3 V). Pour obtenir une tension (différence de potentiel) plus élevée, il faut utiliser plusieurs éléments. Piles Les générateurs électrochimiques qui ne peuvent en principe pas être rechargés sont des piles. Batteries Une batterie est un ensemble de générateurs raccordés en série (pour augmenter la tension) ou en parallèle (pour avoir une plus grande capacité ou délivrer plus de courant qu'avec un élément seul). Il existe des batteries de piles (par exemple la "pile" de lampe de poche de 4,5 V constituée de 3 éléments de 1,5 V montées en série) et des batteries d'accumulateur (comme par exemple les "batteries" présentes dans les automobiles avec en général six éléments de 2 V raccordés en série).

6 Générateur électrochimique les électrodes définition : une électrode est le composé qui, pendant une réaction chimique perd des électrons, s'oxyde ou subit une oxydation. l'électrode où une oxydation se produit est appelée anode. Le composé qui absorbe des électrons se réduit ou subit une réduction. L'électrode où se passe une réduction est une cathode.

7 Générateur électrochimique Dans un générateur électrochimique, les électrons quittent l'anode vers le circuit extérieur et retournent au générateur par la cathode. Il ne peut y avoir d'oxydation d'une substance sans réduction d'une autre substance et vice versa, c'est pourquoi on parle d'oxydoréduction, en abrégé "rédox". Exemple du couple redox NiCd

8

9 Les électrodes ne peuvent pas accumuler les charges électriques, il faut que le circuit soit "bouclé" et que l'électricité circule aussi à intérieur du générateur. Cela s'effectue au travers d'un composé, le plus souvent liquide, appelé électrolyte.

10 On empêche le court circuit entre électrodes en utilisant un séparateur qui ne conduit pas les électrons (isolant) mais permet le passage des ions par des trous (pores) dans sa structure. Le séparateur des générateurs à électrolyte liquide est un matériau poreux (papier, plastique finement perforé, fibre de verre,...).

11 Capacité d un accumulateur La quantité totale d'électricité que le générateur a fourni pendant la décharge est sa capacité, C = I t La capacité s'exprime en Ampères-heures (Ah) ou (mah) Cette grandeur s'exprime en Coulombs dans le système SI. 1 C = 1 A * 1 s = 1000 ma * 1/3600 heure = 0.28 mah

12 Capacité réelle La capacité dépend du régime auquel est effectuée la décharge. Plus le temps de la décharge est court, donc le régime élevé, plus la capacité est faible. marquage constructeur :Une capacité annoncée de 2000 mah, ne veut évidemment pas dire que l'accumulateur délivrera 2 A pendant 1 heure! Avec un tel courant il s'écroulerait immédiatement. Cela veut dire qu'un accumulateur parfaitement neuf, chargé, devrait pouvoir fournir le dixième du nominal, soit 200 ma pendant 10h.

13 Caractérisation Densité d énergie massique Densité de puissance massique Cyclabilité Résistance interne autodécharge

14 Energie massique énergie massique d'une batterie NiMh de type R6 : Tension 1.4 V, capacité 1.5 A.h, masse 25 grammes Énergie massique 1.5 * 1.2 / = 72 Wh/kg Énergie massique des grosses et antiques batteries au plomb = 35 Wh/kg Énergie massique des minuscules et modernes batteries NiMh = 72 Wh/kg Énergie massique des lithium-ion = 200 Wh/kg Pour information, l'essence ou du fuel (environ) = Wh/kg et de l'hydrogène = Wh/kg

15 Nickel Cadmium

16 Nickel Cadmium grande capacité

17 Nickel Metal Hydrure

18 Lithium Ion

19 Lithium Ion

20 Application des nanotechnologies aux batteries Lithium Ion Toshiba Corp. La nouvelle batterie de Toshiba peut recharger 80% de la capacité énergétique de la batterie en une minute 60 fois plus rapide que les batteries ion-lithium habituelles. densité énergétique se situe entre 150 et 250 Wh (Wattheure)/litre Les batteries rechargeables ion-lithium atteignent des densités de 600 Wh/l.

21 Panorama des batteries Plomb Accumulateurs pour automobiles, onduleurs Pour Grande capacité volumique Fort courant de décharge ( centaines d'ampères ) Très faible résistance interne Contre Très lourds Electrolyte liquide (acide) Tension d'un élément 2V

22 Panorama des batteries Nickel Cadmium Ni-Cd pour Les plus courants, charge facile Acceptent une surcharge Possibilité de charge rapide Fort courant de décharge Faible autodécharge Contre Problème d'effet mémoire Pollution du Cadmium (interdit en 2007) Tension d'un élément 1,2V

23 Panorama des batteries Nickel Métal hydrure Ni-Mh pour Plus grande capacité (+40%) Pas d'effet mémoire Contre Charge plus délicate Courant de décharge plus limité Tension d'un élément 1,2V

24 Panorama des batteries Lithium Ion Téléphones GSM, ordinateurs portables, caméscopes. Pour La plus grande capacité Meilleure gestion du niveau de charge Contre Coût élevé Chargeur spécifique Tension d'un élément 3,6V

25 Supercondensateurs

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