Générateurs électrochimiques

Transcription

1 Guy Bélanger

2 Générateurs électrochimiques Définition: conversion directe de l énergie libérée par une réaction chimique en énergie électrique A > A + + e Li > Li + + e B + A + + e > AB FePO 4 + Li + + e > LiFePO 4

3 Types de générateurs + Piles primaires (piles pour lampes de poche) + Piles secondaires: piles rechargeables, l énergie disponible est tributaire à la quantité des produits chimiques dans le boîtier + Piles à combustible: alimentation en continu du combustible (Eg hydrogène, méthanol)

4

5

6 Piles primaires Piles non rechargeables Lorsque les produits chimiques ont réagi, il est impossible de recharger le système Exemples + Piles zinc/oxydes de manganèse (piles alcalines) + Formation de dendrites de zinc lors d une recharge + Piles Zinc / Oxydes d argent (piles boutons)

7 Surface métallique Dendrites

8 Piles secondaires Accumulateurs: lorsque la pile se décharge complètement ou partiellement, on peut renverser la réaction en utilisant une source de courant continu externe Diverses technologies développées au cours des ans + Plomb acide (accu pour démarrage des voitures) + Nickel Cadmium + Métal hydrure - oxydes de nickel + Lithium ion (lithium/graphite) + Lithium - métal

9 Plomb acide Réactions Pb + H 2 SO > PbSO 4 + 2H + + 2e PbO 2 + H 2 SO 4 + 2H + + 2e-----> PbSO 4 + 2H 2 O Problèmes + Densité énergétique (poids de l accu) + Perte de performance à basse température + Sulfatation des électrodes si la décharge est trop profonde (+80%)

10 Nickel - Cadmium Piles pour la première génération d ordi portable Bonne performance en puissance et à basse température Problèmes + Environnement (présence du Cadmium) + Coût (Cadmium et Nickel) + Effet mémoire de l électrode de Cadmium + Auto décharge Réactions Cd + 2OH > Cd(OH) 2 + 2e Ni(OH,O) +2e > Ni(O) + 2OH -

11 Métal Hydrure Nickel Premières piles pour les véhicules électriques (Prius) Bonne densité d énergie et de puissance (100 Wh/kg vs 30 Wh/kg pour plomb-acide) Peu ou pas d effet mémoire Bonne durée de vie Problèmes + Coût (utilisation de terres rares et Nickel) + Auto décharge Réactions MH +OH > M + H 2 O + e Ni(OH,O) + e ----> Ni(O) + OH -

12 Lithium Ion Nouvelle génération (absence d eau, tension de plus de 1.5V ) Réactions Li > Li + + e (Li dans une structure de graphite) Li + + e -----> Li (Insertion dans une structure d oxydes, Co) Première commercialisation 1991 par Sony Plus grande densité d énergie Pas d effet mémoire Plusieurs technologies en développement: Électrode de Lithium (anode: Graphite, Titanates, lithium métal) et divers oxydes (cathode: Ni-Co, Ni-Co-Al, Fer- Phosphates, Vanadium, polysulfures) Problèmes: + Coût (Ni-Co), pureté du lithium + Durée de vie + Sensibilité à haute température

13 Matériaux de cathode NCA: Lithium Nickel Cobalt Oxyde d Aluminium: LiNiCoAlO 2 : Pile des autos Tesla mises au point par Panasonic NMC (NCM): Lithium Nickel Cobalt Oxyde de Manganèse: LiNiCoMnO 2 LFP: Phosphate de Lithium de fer: LiFePO 4 : Usine à Candiac crée sous Phostech Lithium maintenant Johnson Matthey Battery Materials LMO: Lithiun oxyde de Manganèse LiMn 2 O 4 LCO: Lithium Cobalt Oxyde: LiCoO 2 Piles Yuasa à très haute énergie mais susceptibles à l emballement thermique

14

15

16 Piles Lithium et le Québec Lithium métallique: Origine: Collaboration HQ/Elf/Aquitaine/CNRS (Grenoble) fin 1970 Ajout: Yuasa (Japon) mi 80 Contrat avec 3M et HQ (USABC) vers 1992 : ArgoTech (Boucherville): objectif véhicule électrique ( Wh/kg) Changement de mission avec Avestor (commercialisation pour l industrie des communications) 1999 Vente à Boloré (formation de Bathium) 2007 Matériaux d électrodes Valorisation via l octroi de licences: Fer/Phosphate via Phostech Lithium (Usine de Candiac sous Jonhsom Matthey Battery Materials) Nouvelle mission de l IREQ: matériaux, essais de stockage et non plus la fabrication d accumulateurs

17

18 Piles à combustible Systèmes pour navettes spatiales, autobus, chariots élévateurs, génération électrique de grande taille Génération électrique en fonction de l alimentation du combustible (hydrogène, méthanol,..) et du comburant (oxygène, air,...) Problèmes + Utilisation de métaux précieux (Platine) + Coût de fabrication + Combustible (stockage de l hydrogène, infrastructure) Réactions 2H > 4H + + 4e O 2 + 4H + + 4e -----> 2H 2 O

19 Contraintes de commercialisation + Approvisionnement en hydrogène: Production à partir du gaz naturel CH 4 + 2H 2 O > 4H 2 + CO 2 (Global) CH 4 + H 2 O > 3H 2 + CO (Reforming) CO + H 2 O > H 2 + CO 2 (Réaction de Shift) Traces de CO (monoxyde de carbone, poisons pour les électrodes) + Coûts (matériaux nobles) + Durée de vie + Absence de réseaux de distribution d hydrogène + Stockage d hydrogène à bord

20 Pile méthanol air Piles à combustible pour matériel électronique Anode: Platine / Ruthénium Cathode : Platine Réactions: Anode: 2CH 3 OH + 2H 2 O > 2CO H e Cathode: 3O H e > 6H 2 O Globale: 2CH 3 OH + 3O > 2CO 2 + 4H 2 O Problème de commercialisation + Coûts (matériaux nobles) + Durée de vie (empoisonnement des électrodes)

21 Option en développement Intégration d un accumulateur avec une pile à combustible Pile Lithium oxygène Li ----> Li + + e O 2 + 2Li+ + 2e > LiOOLi Contraintes: assèchement de l air (l eau demeure un poison pour l électrode de Lithium) réduction partielle de l oygène (Li 2 O rend la réaction irréversible)

22 Références Wikipédia.org (piles Lithium) Wikipédia1.org (piles Ni / hydrure métallique) age/fr-fr/default.aspx