Accumulateur électrique

Un accumulateur électrique est un dispositif destiné à stocker l'énergie électrique afin de pouvoir l'utiliser ultérieurement. Cette opération est aussi appelée stockage d'énergie.

On distingue :

1. Les accumulateurs d'énergie convertissant l'énergie électrique dans une autre forme afin de la stocker (par exemple en énergie cinétique) et, la restituer ultérieurement ;
2. Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'électrostatique : bouteille de Leyde, condensateurs ou supercondensateur ;
3. Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'électrodynamique : circuit bobiné ;
4. Les accumulateurs électrochimiques, fonctionnant grâce aux réactions électrochimiques de leurs électrodes, qui assurent la conversion de l’énergie électrique en un processus chimique réversible.

Principe des accumulateurs électrochimiques en cours de charge

Généralités

La Jamais Contente, électrique, première automobile capable d'atteindre les 100 km/h.

L'énergie électrique peut donc se stocker de différentes manières :

• Sous forme d'énergie électrostatique, 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 une diminution du poids et un fonctionnement possible par très grand froid (véhicules polaires). Avec un inconvénient de taille le prix au kWh stocké nettement plus élevé.

• Sous forme d'énergie électromagnétique, en établissant un courant électrique dans un 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 et le cuivre en raison des pertes par effet Joule dans le circuit ; un stockage de longue durée nécessite ainsi l'utilisation de matériaux 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 (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 principalement le dispositif électrochimique.

Caractéristiques générales des accumulateurs électrochimiques

Tension électrique

La tension ou potentiel (en volt) est un paramètre important. Fixée par le potentiel d'oxydo-réduction du couple redox utilisé, elle est de l'ordre de un à 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'électricité emmagasinée par l'accumulateur), se mesure en Ah ou mAh ((m)Ah : (milli)ampère(s) pendant une heure). Elle se mesure dans la pratique en multipliant un courant constant par le temps de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure), mais l'unité officielle de charge (SI) est le 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. Ne pas confondre charge électrique et énergie stockée (voir ci-dessous).

La capacité de charge électrique, souvent appelée dans le langage courant capacité de l'accumulateur est la charge électrique que peut fournir l'accumulateur complètement chargé pendant un cycle complet de décharge. Sa valeur initiale théorique doit être indiquée par le constructeur, suivant la règlementation actuelle (en Ah ou mAh voir ci-dessus). Elle dépend de l'intensité de décharge (comme l'a établi la loi de Peukert) et elle diminue au fur et à mesure de la vie de l'accumulateur. La méthode de mesure la plus répandue consiste à mesurer, pour un courant de décharge constant donné, le nombre d'heures durant lesquelles l'accumulateur fournit ce courant, avec une tension supérieure à la tension de seuil (qui vaut, par exemple, 0,9 V pour un accumulateur NiMH). La capacité mesurée est alors le produit du nombre d'heures par le courant fourni. La tension à vide de l'accumulateur, facile à mesurer avec un voltmètre, ne donne généralement pas une indication fiable de la charge restant dans l'accumulateur, sauf dans le cas de la technologie Lithium-Ion.

Énergie stockée

L'énergie stockée dans la batterie est égale à sa charge électrique multipliée par la tension moyenne sous laquelle cette charge est déchargée. L'énergie stockée se mesure habituellement en watt-heure (Wh) mais l'unité officielle (SI) est le joule.

1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,279 mWh.

Débit maximum

Le débit maximum, ou courant de pointe, d'un accumulateur se mesure en ampère. Il est généralement spécifié en amplitude et en durée et est généralement largement supérieur au débit permanent autorisé.

Impédance interne

L’impédance interne, exprimée en ohm, est l'impédance parasite qui provoque une chute de tension en décharge et, par conséquent, limite le courant de décharge. Comme les accumulateurs sont des dipôles non linéaires, elle est généralement mesurée pour des faibles variations de tension et de courant (de l'ordre de 10 mV, pour la tension). Sa mesure requiert un appareillage spécialisé. La résistance interne, qui est la partie réelle de l'impédance, est assez simple à mesurer au moyen d'un voltmètre et d'un ampèremètre.

Courant de charge maximum

Le courant maximum supportable pendant la recharge est indiqué en ampère, mais est souvent exprimé en unité de charge, c'est-à-dire rapporté 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 2 Ah, et dans les deux cas à une charge de 2 heures.

Densité

La densité massique, ou énergie spécifique, est une des caractéristiques importantes d'un accumulateur, elle correspond à la quantité 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'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 à la puissance maximale rapportée à la masse de l'accumulateur, et s'exprime en watt par kilogramme (W/kg). De la même manière, on peut calculer la puissance rapportée au volume, moins usitée. Cette puissance spécifique est surtout fonction inverse de la résistance interne de l'accumulateur.

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 centaines ou milliers de cycles de charge et de décharge). Ils sont souvent fortement dépendant des conditions d'emploi (amplitude du cyclage, température de stockage et d'utilisation).

Forme physique

Différences entre accumulateurs et piles alcalines.

Certains éléments sont fabriqués selon les normes établies par la Commission électrotechnique internationale (CEI) et par l'American National Standards Institute (ANSI). Cependant, beaucoup de formes physiques sont propres aux fabricants d'accumulateurs, ou correspondent à des besoins particuliers des utilisateurs. Ce dernier cas est celui de la plupart des batteries de téléphones portables.

Le marquage « RECHARGEABLE » est obligatoire sur les accumulateurs NiMH et NiCd. Sur certains accumulateurs, il figure en très petits caractères. Lorsque le marquage est illisible ou effacé, sur les éléments cylindriques, on peut distinguer les accumulateurs des piles alcalines par le fait que les accumulateurs ont souvent une borne supérieure (pôle +) entourée de plastique, alors que les piles alcalines ont une borne supérieure en métal. La connaissance de ce détail peut permettre d'éviter des erreurs, mais la règle n'est pas absolue.

Différentes techniques

Plomb-acide

La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2,1 V. Il s'agit du couple le plus ancien. C'est le dispositif de stockage d'énergie électrique utilisé pour la batterie de démarrage de la plupart des véhicules automobiles.

• 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'étaient pas l'oxygène et l'hydrogène gazeux qui produisaient 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 constituaient 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 des batteries au plomb est facile. Le transport et le recyclage des batteries est de plus en plus sévèrement réglementé, ce qui augmente les frais et diminue la rentabilité du recyclage ; mais le taux de recyclage des batteries au plomb atteint les meilleures résultats de valorisation avec 95 % de collecte et plus 65 % de valorisation en matière première secondaire sèche^{[réf. souhaitée]}. Le prix du kilogramme de batteries est deux fois supérieur au prix du kilogramme de ferraille et permet ainsi de financer son recyclage sans devoir demander de soutien financier aux pouvoirs publics ou aux consommateurs.
• 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)

Accus Ni-Cd divers

La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V.

Ce type d'accumulateur possède un effet mémoire, 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 100 fois^{[réf. nécessaire]}) mais sa décharge naturelle est plus rapide que celle du Ni-MH.
Le cadmium est très polluant.

Ce type d'accumulateur permet un nombre de cycles charge/décharge plus important que les accus Li-ion et que les Ni-MH (durée de vie supérieure).^{[réf. nécessaire]}

Ce couple électrochimique a été l'un des plus couramment utilisés pendant plusieurs décennies pour fabriquer des batteries d'accumulateurs alimentant les appareils portatifs.
Pour la plupart de ces applications il est en voie d'abandon, au profit du Ni-Mh et du Li-Ion. Malgré l'augmentation considérable des cours du nickel ces dernières années, son marché se maintient dans ses usages industriels (applications aéronautiques, ferroviaires, stationnaires, où son utilisation reste autorisée) en raison de ses performances (notamment sa forte puissance spécifique).

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 est très faible.

Lorsque la charge est rapide (en termes techniques, avec un courant au moins égal à C/5), la fin de charge est caractérisée par une variation de la tension en charge (δv/δt) très faiblement négative. C'est ce seuil, de l'ordre de quelques millivolts, 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^[Quoi ?]. Ce problème est aujourd'hui totalement résolu par une nouvelle technique 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^{[réf. 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

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

Accumulateur LiPo de téléphone GSM

On distingue la technique lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose d'importants problèmes de sécurité, ce qui limite l'emploi de ce couple)), et la technique 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. Des problèmes de sécurité demeurent (prise de feu) en cas de surcharge, de décharge trop rapide ou de court-circuit. Les accumulateurs lithium-ion sont parfois remplacés par leur variante lithium polymère dite Li-Po. Son couple électrochimique est le même, mais un gel polymère fige l'électrolyte, ce qui permet de réduire son contenant à une simple enveloppe plastique souple. Le polymère ralentissant le déplacement des ions, l'aptitude à la fourniture de courants importants est réduite et donc sa puissance spécifique (voir définition plus haut) est généralement inférieure à celle des éléments Li-Ion de même capacité.

La durée de vie de ces accumulateurs n'est que de 2 à 4 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.

Recyclage : les difficultés rencontrés pour recycler le lithium ne permettent pas de valoriser les matériaux utilisées actuellement pour une seconde utilisation des composés chimiques. Les techniques de traitement permettent seulement de stabiliser les impacts dangereux des matériaux composant cette technologie d'accumulateur. Le coût de traitement est l'un des plus importants en fin de vie de l'ensemble des accumulateurs.

Pile alcaline

Contrairement aux mentions inscrites sur leurs emballages, les piles alcalines dites « non rechargeables » peuvent elles aussi être régénérées partiellement, avec un appareil adapté. Elles peuvent être régénérées, et donc réutilisées, une dizaine de fois. Avec ce nombre limité de cycles, les piles alcalines ne sont pas habituellement considérées comme des accumulateurs.

Il existe des modèles de piles alcalines renforcés, que l'on appelle usuellement les piles alcalines rechargeables, qui peuvent être considérés comme des accumulateurs.

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, de plus, le brome est particulièrement dangereux.

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

Batteries à flux au vanadium

Une batterie redox vanadium (ou batterie à oxydoréduction au vanadium), est un type de batterie rechargeable à flux qui utilise le vanadium dans différents états d'oxydation pour stocker l'énergie potentielle chimique.

La capacité est augmentable à volonté, simplement en utilisant des réservoirs de plus en plus grands, et la batterie peut être laissée déchargée pour de longues périodes sans se dégrader. Ces batteries sont bien adaptées aux applications nécessitant des stockages importants, une réponse à un pic de consommation, ou le lissage de la production de sources variables comme les centrales solaires ou éoliennes.

Batteries à flux aux quinones

La revue Nature a publié le 8 janvier 2014 un article sur une nouvelle voie prometteuse pour le stockage d'énergie : des chercheurs de l'université américaine d'Harvard ont mis au point une batterie utilisant des quinones dans un bain d'acide sulfurique et de simples électrodes de carbone ; les quinones ont des performances exceptionnelles en termes de rapidité de charge/décharge : la réaction quinone–hydroquinone est 1000 fois plus rapide que celle du vanadium, et le coût serait modeste : le stockage d'un kWh coûterait seulement 27 $ (20 €), le tiers du coût des batteries au vanadium.

Batteries métal liquides

La technologie des batteries « métal liquides », inventée par le Dr. Donald Sadoway, professeur au Massachusetts Institute of Technology, est développée par la start-up Ambri. Chaque cellule consiste en trois couches de liquide se séparant spontanément : deux de métaux liquides et une de sel fondu — qui flottent l'une au-dessus de l'autre du fait de différences de densité et de non-miscibilité. Le système fonctionne à température élevée, maintenue par auto-échauffement durant la charge et la décharge. Il en résulte un système de stockage efficace et à bas coût, grâce à l'utilisation de matériaux peu coûteux,abondants dans le monde et à une conception qui tire avantage des économies d'échelle inhérentes à l'électro-métallurgie et à l'industrialisation conventionnelle ; le procédé est très souple : il peut répondre à des signaux de régulation en quelques millisecondes et peut stocker jusqu'à douze heures d'énergie et la restituer lentement. Les électrodes liquides évitent les défauts des batteries conventionnelles, en particulier le déclin de la capacité de cycle en cycle, car les électrodes sont reconstituées à chaque charge (objectif de 98% de capacité après 10 000 cycles complets de charge/décharge). Les batteries sont modulaires, permettant une adaptation sur mesure à des usages variés ; les cellules sont empilées dans des modules de la taille d'un réfrigérateur, placés dans un conteneur de 40 pieds (12 mètres) d'une puissance de 500 kW et de 2 MWh de capacité de stockage. Ambri, créé en 2010 avec Total et Bill Gates parmi ses actionnaires, a installé une chaîne de production pilote à l'automne 2013, annonce son premier prototype commercial pour 2015, destiné à plusieurs clients pilotes aux États-Unis, et prévoit d'atteindre la production à plein régime de la première usine fin 2016, avec 130 MWh par an ; le marché visé est le stockage de l'électricité, à de nombreux endroits sur le réseau, et pour un faible coût, pour permettre l'utilisation massive d'énergies renouvelables en compensant leur irrégularité.

Tableau comparatif des différentes technologies

Type	Énergie massique Wh/kg	Énergie volumique Wh/l	Tension d'un élément V	Puissance en pointe W/kg	Durée de vie (nombre de recharges)	Autodécharge en % par mois	Statut
Plomb - Acide	30 - 50	75 - 120	2,25	700	400 - 800	5	Production
Ni-Fe	20 - 60	?	?	?	?	~30 %	Abandonné
Li-Ti	50-67	75-131	2,4	3000	6000	?	Production
Ni-Cd	45 - 80	80 - 150	1,2	?	1 500 - 2 000	> 20	Interdit (toxique)
Ni-H2	75	60	1,25	?	?	?	?
Ni-MH	60 - 110	220 - 330	1,2	900	800 - 1 000	> 30	Production
Ni-Zn	90	280	1,60	1 000	200	> 20	Production
Na-S	100 - 110	?	?	?	?	?	Production
LMP	110	110	2,6	320	?	?	?
Li-Po	100 - 130	220-330	3,7	250	200 - 300	2	Production
Na-NiCl2	120	180	2,6	200	800	→ 100 (12 %/jour)	?
Pile alcaline	80 - 160	?	1,5 - 1,65	?	25 à 500	< 0,3	Production
LFP	120 - 140	190 - 250	3,2	>2000	2 000	5	Production
Li-ion	90 - 180	220 - 400	3,6	1 500	500 - 1 000	2	Production
Li-S	250	?	2,8	400	?	?	Production
Na-ion	400	?	3,6	?	?	?	?
Ni-Li	935	?	3,49	?	?	?	?
Li-air	1 500 - 2 500	?	3,4	200	?	?	R&D

L'accumulateur Li-Po(lymère) est moins performant que le Li-ion mais fabriqué différemment. Il prend moins de place que le Li-ion. Par conséquent une batterie Li-Po de même taille qu'une batterie Li-ion possède une capacité plus importante. 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.

Articles connexes

• Charge électrique
• Chargeur (électricité)
• Stockage d'énergie
• Supercondensateur