• Batteries et accumulateurs.

         Dans des articles précédents, j’ai parlé du stockage d’énergie solaire ou éolienne, , ou de voiture électriques, dans lesquels les batteries peuvent être une limitation importante.
        Ces batterie interviennent dans notre vie de tous les jours, que ce soit les petites AA ou AAA rechargeables pour les lampes, les postes radio, ma souris d’ordinateur, ou les batteries plates des téléphones portables, ou les plus grandes batteries des outils de jardin.
        Alors faisons le point.

        Toutes ces batteries sont basées sur le même principe, ce sont les produits utilisés qui diffèrent.
        La batterie est un dispositif chimique qui peut stocker de l’énergie électrique et la restituer sur demande.
        Elle est composée d’une électrode négative, l’anode qui va recueillir des ions positifs, et d’une électrode positive, la cathode qui va collecter les électrons qui vont ensuite produire le courant, ces électrodes baignant dans un électrolyte liquide conducteur dans lequel ions et électron vont pouvoir circuler. (voir schéma ci-dessous).
    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Unknown.png    Les paramètres de la batterie que l’on cherche à augmenter, par rapport à son poids, sont les suivants :
            - la quantité d’électrons  que l’on peut stocker, que l’on exprime en ampère heure par kg. (c’est la quantité d’électricité qui traverse un conducteur relié à la batterie pour un courant de débit 1 ampère, pendant une durée d’une heure).
            - la quantité d’énergie fournie par la batterie en watts-heure. C’est la capacité en ampères-heure multiplié par la tension aux bornes du circuit (en volts). On cherche à optimiser l’énergie en watts-heure par kg. La résistance interne de la batterie intervient.
            - enfin la fiabilité de la batterie : d’une part il faut que la batterie ne se détériore pas trop vite aux charges successives (on lui demande de tenir au moins 2 000 charges), et la sécurité impose d’exclure les risques d’incendie (voire d’explosion) et plus généralement de trop grande surchauffe.
            - toutefois on peut aussi optimiser, pour certaines applications la puissance, c’es-à-dire la vitesse avec laquelle on peut charger ou décharger la batterie et en particulier le courant de crête qui peut être fourni pendant un court instant.
            - un dernier aspect d’entretien : il faut limiter l’impact environnemental des batteries, dont les composants peuvent être nocifs.

        Les batteries AA ou AAA (piles rechargeables), étaient des batteries au nickel-cadmium. Les électrodes sont en hydroxyde de nickel et en cadmium, et l’électrolyte est de la potasse.
        Ce type de batteries est facile à charger, fiable (elles tiennent environ 1600 charges et ont une durée de vie entre 2 et 3 ans), peu sensible à la température. de résistance interne faible et de coût faible. Par contre, elles perdent leur charge hors utilisation (20% par mois) et n’ont pas une grande énergie (40 à 60 Wh/kg). La tension nominale d’un élément est de 1,6 volt.    .
        Le cadmium étant un métal lourd nocif, il faut recycler ces batteries et pour le grand public
        Les batteries industrielles sont encore en Cd-Ni mais sont plus importantes et ont une durée de vie plus grande.
        Par contre dans les batteries grand public, le cadmium a été remplacé par un alliage d’hydrure à bas de nickel, de cobalt et de terres rares. (batteries Ni-Mh). Ces accumulateurs sont moins fiables (moins de cycles) et demandent de temps long de charge (12h) pour éviter les courants trop forts qui les dégradent. Les chargeurs doivent être dotés d’un système de détection de fin de charge.

        Les batteries de voitures à essence sont des batteries « au plomb », qui ont été inventées en 1854.  L’anode (négatif) est un ensemble de grilles d’alliage plomb-étain et éventuellement arsenic, remplies de plomb métallique poreux. la cathode (positif) est constituée de grilles analogues, mais remplies avec une pâte d’oxyde de plomb PbO2, et l’électrolyte est de l’acide sulfurique. Un séparateur isolant empêche les courts circuits entre plaques positives et négatives, tout en étant poreux et résistant à l’acide sulfurique (c’est un matériau à base de fibres cellulosiques).
        Le principe de fonctionnement est décrit sur le schéma ci-dessous    :

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/9688603616.jpg
         A la décharge l’électrolyte se détruit et les électrodes se sulfatent en libérant les électrons de l’ion SO4-. L’oxygène libéré à la cathode s’unit aux ions H+ pour donner de l’eau. A la charge les électrodes se désulfatent et l’électrolyte est régénéré.
        La tension est de 2,1 volts par élément. L’énergie fournie est faible : 35 Wh/kg, mais elle peut fournir un courant crête élevé au démarrage du moteur de la voiture. Une décharge totale de la batterie est nocive à sa durée de vie. (les électrodes sont sulfatées et il n'y a plus que de l'eau dans l'accumulateur).

        Les batteries au CdNi des petits appareils ménagers ou de bricolage et des téléphones et ordinateurs portables, sont maintenant remplacées par des batteries lithium-ions.
        Le lithium est intéressant car il expulse facilement un électron et c’est le plus léger des métaux
        La cathode est en dioxyde de cobalt et l’anode en graphite. L’électrolyte est un sel de lithium dissous dans des molécules organiques que l’on inclue dans des polymères; il est isolant électrique, mais laisse passer les ions.
        Le principe de fonctionnement  est le suivant :
    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Unknown1-copie-2.jpg
        A la décharge le lithium stocké dans l’anode de graphique pour laquelle il a peu d’affinité cède son électron, qui ne peut migrer dans l’électrolyte isolant, tandis que l’ion Li+ libéré va se diriger vers l’électrode de cobalt pour laquelle il a une affinité plus grande, formant un oxyde de lithium-cobalt, en ayant récupéré son électron par le circuit électrique. La batterie supporte mal une décharge totale. (il est recommandé de charger fréquemment son téléphone portable
        A la charge, on extrait de la cathode le lithium qui va à nouveau se stocker dans l’électrode négative de graphite. La charge est beaucoup plus rapide que pour les accumulateurs Cd-Mh.
        La tension nominale d’un élément est de 3,6 volt.
        L’inconvénient de ces batteries est la surchauffe très importante qui peut se produire en cas de défaut et l’électrolyte qui est corrosif en cas de fuite. Les batteries doivent être dotées d’un fusible thermique et d’une soupape de sécurité pou éviter les surpressions qui pourraient les faire exploser. Les médias ont récemment relaté l'explosion d'une batterie de trottinette, qui a blessé le trotinetteur à la jambe
        A l’origine les batteries Li-ions avaient déjà une énergie beaucoup plus fortes que les Cd-NI : 1500 Wh/kg. On atteint maintenant 2400 Wh/kg. On a introduit dans l’électrode de cobalt des alliages cobalt, nickel, manganèse.
        Les durées de vie sont de 3/4 ans pour les petites batteries, (voire moins si on les laisse complètement décharger), mais une quinzaine d’années pour les accumulateurs des voitures électriques.
        Le lithium et le cobalt sont des métaux rares, produits en certains endroits seulement, mais on peut recycler celui des batteries. Il ne faut donc pas craindre de pénurie. Il semble que des gisements importants de sels de lithium aient été découverts au Portugal.
    Des essais ont été faits pour remplacer le lithium par du sodium, mais l’énergie massique ne dépasse pas 100 Wh/kg/

        Les batteries de voitures électriques sont donc des batteries li-ion. Par contre elles sont insuffisantes pour le stockage d’énergie solaire, qui se fait actuellement à 94% par remontée d’eau dans des réservoirs en altitude.
        Une solution sera peut être prometteuse d’ici quelques années : des batteries à électrolytes solides qui laissent passer les ions, et qui utiliseraient du sodium à la place du lithium. Les études concernent les électrolytes, matériaux composites inorganiques, souvent des mélanges de fluorures ou chlorures métalliques.
        On espère une capacité deux à trois fois plus grande que les batterie Li-ions à poids égal et une meilleure sécurité car l’électrolyte est ininflammable..
        Les entreprises asiatiques et SAFT en France, qui font ces recherches, pensent avoir des batteries utilisables en 2025.

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