LES BATTERIES D'ACCUMULATEURS RECHARGEABLES

 

Les batteries "plomb-acide"

GASTON PLANTE
Physicien 1834 - 1889
inventeur de la batterie d'accumulateur rechargeable en 1859
Image de gauche.

CAMILLE ALPHONSE FAURE
Chimiste 1840 - 1898
conçoit des améliorations à la batterie de Planté qui permet une application industrielle
image de droite

 

 

Assistant d’Edmond Bequerel à tout juste 20 ans, Gaston Planté se passionne pour l’étude des phénomènes électriques. Ses talents d’expérimentateur lui permettent d’inventer le premier accumulateur électrique rechargeable en 1859 . Modeste et désintéressé, il ne déposa jamais de brevet pour son invention, et refusa toute sa vie les honneurs de l’Académie des Sciences. Préférant se consacrer pleinement à son travail de laboratoire.
Gaston Planté avait acquis une grande renommée en 1854 mais dans un domaine autre que l'électricité, il avait découvert le premier fossile d'un oiseau non volant ayant vécu il y a environ 50 millions d'années. Son squelette a été  complètement reconstitué en 1881 il a été nommé Gastonis Parisianis en son honneur.
Planté, passionné d'électricité a poursuivi ses expériences en  réalisant notamment une machine générant des tensions pouvant atteindre 100 000 volts afin d'étudier les décharges électriques dans l'air. Le principe était de charger en parallèle une grande quantité de condensateurs puis de les mettre en série. ( extrait du site du CNAM et de Wikipédia)
Cette technique est employée de nos jours en électronique pour réaliser des élévateurs de tension en courant continu.

Camille Alphonse Faure  1840 - 1898  est un ingénieur chimiste français qui en 1881 a, de façon significative, amélioré le design de la batterie inventée par Planté 1859. Les améliorations de Faure ont beaucoup augmenté la capacité de la batterie et ont mené directement à sa fabrication sur une échelle industrielle.
En 1880, Faure fit breveter une méthode pour enrober les plaques de plomb avec une pâte faite de plomb oxydé, d'acide sulfurique et d'eau. Les plaques étaient ensuite séchées et doucement réchauffées dans une atmosphère humide. Lors du séchage la pâte se changeait en une mixture de sulfates de plomb, qui adhérait à la plaque de plomb
(Extrait de Wikipedia)

Ces inventions vont donner rapidement naissance aux véhicules électriques qui seront détrônés plus tard par les moteurs thermiques

L'image de gauche montre la publicité  de la voiture électrique produite par Jenatzy . En vertical sur la partie gauche on peut lire qu'elle détient les records du monde:
 -1 km en côte en 3mn52s (environ 15Km/h )
 -2 km sur plat en 1mn41s 2/5 soit environ 71km/h .

il atteindra le record des 100km/h avec la "jamais contente" image de droite en 1899

Les postes parisiennes vont s'équiper de voitures électriques en 1904

L'accumulateur rechargeable  Nickel Cadmium

Inventé en 1899 par l'ingénieur suédois Waldemar Jungner (1869 - 1924) il invente également l'accumulateur Nickel - Fer et l'accumulateur Argent- Cadmium

C'est une des premières alternatives technologiques aux batteries au Plomb. Il a fallu attendre les années 50-60 pour que l'amélioration des techniques permette la vulgarisation de la batterie Nickel-Cadmium. Batterie sans entretien (enveloppe scellée) et présentant une capacité supérieure à celle des batteries au plomb (+50%), elle a aussi une durée de vie (nombre de cycles) plus grande. Le cadmium est catalogué comme "cancérogène certain" notamment pour les voies respiratoires il est suspecté dans le cancer des reins et la prostate. Son utilisation grand public est aujourd'hui bannie à cause de sa toxicité. Ce type d'accumulateur présente en outre un inconvénient "l'effet mémoire"qui oblige à décharger la batterie complètement avant de la recharger . Le point décharge complète est difficile à détecter car une utilisation passé ce seuil peut endommager l'accumulateur.

L'accumulateur  Nickel métal hydrure

Ce n'est qu'au début des années 90 qu'apparaît  la batterie Nickel-Métal-Hydrure. Non toxique et présentant des capacités de stockage encore améliorées (+100% par rapport au plomb), elle s'impose rapidement et est encore présente dans de nombreuses applications professionnelles et grand public.
La technologie Ni-MH a été développée principalement pour améliorer 3 aspects par rapport au Ni-CD: augmenter la capacité de stockage, supprimer l'effet de mémoire et être plus écologique. En 2005 sont apparues les batteries Ni-MH à faible auto décharge . Commercialisées déjà chargées elles peuvent conserver 75 à 80% de leur charge au bout d'un an de stockage à 20 °c
La batterie Ni-MH  bien que moins performante que la batterie au lithium (voir ci dessous) présente l'avantage de supporter des courants de charge importants et d'être plus stable en cas de surchauffe. Elles sont utilisées notamment dans les véhicules hybrides Toyota et Honda.

Accumulateurs au lithium

Le lithium est un corps de la première colonne du tableau de Mendeleïev , les métaux alcalins. Le lithium métallique comme le sodium et le potassium réagit violemment avec l'eau il doit être conservé immergé dans de l'huile. Son emploi dans les accumulateurs rechargeables doit donc tenir compte de cette dangerosité. On doit l'emploi du lithium dans les accumulateurs à trois chercheurs qui ont obtenu le prix Nobel en 2019. Stanley Whittingham né en 1941, John Bannister Goodenough né en 1922, Akira Yochino né en 1948

Stanley Whittingham

né en 1941 à Nottingham
en Angleterre

Chimiste à l'université de Binghamton Etat de New York USA

Il crée la toute première batterie
li-ion dans les années 70

John B Goodenought

né en 1922 à Iéna en Allemagne

Physicien du solide
professeur à l'université d'Austin
au  Texas USA

Début 1980 il remplace les électrodes en sulfure de tantale du prototype de Whittingham par de l'oxyde de cobalt ce qui permet d'envisager une commercialisation

Akira Yoshino

Né en 1948 à Suita au Japon

Chimiste  à l'université d'Osaka au Japon 

En 1986 il remplace le lithium pur de l'anode par un mélange lithium-coke de pétrole ce qui allège la batterie et améliore la stabilité et la longévité



Il existe trois sortes principales d'accumulateurs lithium

      - l'accumulateur lithium métal, où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité) . La batterie lithium métal est fabriquée principalement par le groupe Bolloré (c'est la batterie des voitures en location Bluecar) A  l'origine ce groupe était spécialisé dans le papier à cigarette ce qui lui a donné une grande expertise dans la réalisation de films minces. Elle est composée d'un empilement de 4 couches, un feuillard de lithium, un électrolyte solide polymère, une cathode, un autre feuillard métallique collecteur de courant. D'une grande sûreté de fonctionnement elle supporte des températures de -20 à +160°c. Cependant elle présente l'inconvénient, du fait de la faible conductivité de l'électrolyte polymère, de nécessiter une température intérieure de +70°c. Ceci évidemment suppose que, pour entretenir  la température de la batterie lorsqu'elle n'est pas connectée à son chargeur, une consommation qui décharge. Les études actuelles visent à permettre un fonctionnement à une température de 40°c.
 Des associations de ce type d'accumulateur sont proposées également pour palier l'intermittence de la production d'énergie des sources comme l'éolien ou le solaire une formule de  250 kWh ou de 400 kWh pèse respectivement 2 et 3 tonnes. Ce type d'utilisation pourrait offrir une deuxième vie aux accumulateurs. En effet lorsque la batterie d'un véhicule électrique perd de ses performances il en découle une réduction de son autonomie, ce qui peut être rédhibitoire. Ces accumulateurs rendus moins performants mais encore viables pourraient alors être utilisés pour compenser l'intermittence dans le solaire ou l'éolien.

      - les accumulateurs 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 (dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer) ;

      - les accumulateurs lithium-ion-polymère sont une variante et une alternative aux accumulateurs lithium-ion. Ils délivrent un peu moins d'énergie, mais sont beaucoup plus sûrs.

Contrairement aux autres accumulateurs, les accumulateurs lithium-ion ne sont pas liés à un couple électrochimique. Tout matériau pouvant accueillir en son sein des ions lithium peut être à la base d'un accumulateur lithium-ion. Ceci explique la profusion de variantes existantes, face à la constance observée avec les autres couples. Il est donc délicat de tirer des règles générales à propos de ce type d'accumulateur, les marchés de fort volume (électronique nomade) et de fortes énergies (automobile, aéronautique, ) n'ayant pas les mêmes besoins en termes de durée de vie, de coût ou de puissance.

La pile à combustible à hydrogène

Ce n'est pas un accumulateur rechargeable mais, avec les accumulateurs Lithium-ion nous entrons dans le domaine du véhicule électrique or, actuellement on parle beaucoup de l'hydrogène dans les véhicules.

L'emploi de hydrogène répond à la nécessité du véhicule propre non polluant.
En effet, la pile à combustible dans laquelle la production d'énergie électrique est réalisée au cours de la recombinaison de l'hydrogène et de l'oxygène ne produit que de l'électricité, de la chaleur et de l'eau. Cependant,la molécule d'hydrogène est de très petite dimension et l'hydrogène est stocké à très haute pression plusieurs centaines de bar. Une fuite peut survenir, il est impératif alors d'empêcher l'accumulation de l'hydrogène qui sous l'effet d'une étincelle pourrait réagir très violemment avec l'oxygène de l'air. Dans un véhicule des capteurs capables de détecter une présence d' hydrogène doivent en cas de présence de celui-ci fermer une électrovanne et enclencher une ventilation. Qu'en serait-il en cas de collision ou de vétusté du véhicule?
Si ces règles sont respectées il est possible d'envisager un véhicule à hydrogène. Cependant si ces règles peuvent être respectées dans des bus ou des bateaux dont la maintenance est permanente et assurée par des professionnels compétents , il est plus douteux que ce système puisse être utilisé par "monsieur tout le monde" .
Exemple: Dans un laboratoire qui utilise de l'hydrogène, les installations qui par nature sont appelées a être modifiées périodiquement, il est habituel de disposer près de la bouteille d'hydrogène d'une petite flamme chargée de brûler l'hydrogène au fur et à mesure de son échappement de façon à éviter une accumulation de ce gaz et ainsi éviter une explosion.

https://www.h2-mobile.fr/dossiers/fonctionnement-voiture-hydrogene-comment-ca-marche/

Le train aussi peut être un véhicule à l'hydrogène
Le groupe Alstom a lancé en septembre 2018 en Basse-Saxe (Allemagne) le premier train à hydrogène du monde, destiné à remplacer des locomotives diesel. Il est équipé de piles à combustible qui transforment en électricité de l’hydrogène stocké sur le toit. Le train abrite aussi des batteries lithium-ion pour stocker l'énergie récupérée pendant le freinage.

https://www.planete-energies.com/fr/medias/videos/allemagne-bord-du-premier-train-hydrogene

La pile à combustible utilisant l’hydrogène contient deux électrodes :
       l'anode (reliée au pôle positif) contient de l'hydrogène ;
       la cathode (reliée au pôle négatif) contient de l'oxygène ;
Entre les deux, se trouve un électrolyte, un corps solide ou liquide capable de contrôler le passage des électrons . Il s'agit le plus souvent d'un polymère contenant du platine.

Dans l'anode, les molécules d'hydrogène se dissocient : les ions diffusent dans l'électrolyte, alors que les électrons sont contraints de circuler dans un circuit externe, ce qui crée un courant électrique continu.

Dans la cathode, les électrons provenant du circuit électrique, les ions H et l'oxygène se combinent pour former de l'eau et de la chaleur qui peut être récupérée.Au final, avec de l'hydrogène d'un côté, de l'oxygène de l'autre, la pile à combustible produit de l'électricité et de la chaleur. Le seul produit de sa combustion est la vapeur d'eau.
https://www.planete-energies.com/fr/

Deux grandes filières:
De nombreuses technologies existent en matière de piles à combustible , mais deux filières principales ont d’ores et déjà trouvé de nombreuses applications industrielles : les piles PEM, à membrane, et les piles SOFC, à oxyde solide

la pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) est compacte et travaille à basse température (80 °C), avec un électrolyte en polymère. Elle fournit essentiellement de l’électricité, avec des rendements moyens entre 40 et 60 %. C’est un peu la pile « tous terrains », utilisable en mode portatif ou en mode stationnaire. Elle fait encore l’objet de nombreuses études, notamment pour diminuer son coût. Celui-ci est dû notamment à l’utilisation de platine pour l’anode et la cathode. C’est la seule qui convienne pour un usage dans les transports. Elle peut aussi être utilisée pour le stationnaire de « niche », comme l’alimentation de sites isolés ou la génération électrique de secours.

 la pile à oxyde solide (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) constitue une technologie bien adaptée à la cogénération (électricité + chaleur). Elle a pour électrolyte un oxyde double de zirconium et d'yttrium. Sa température de fonctionnement, de 800 °C, permet d'utiliser n'importe quel combustible contenant de l'hydrogène, grâce à des procédés de reformage interne, ce qui affranchit de la nécessité d’utiliser de l’hydrogène pur et permet d’employer notamment le gaz naturel du réseau. Elle a un très bon rendement électrique -entre 40 et 70 %- ainsi qu’un très bon rendement thermique. La chaleur qu’elle produit est en partie réutilisée pour le fonctionnement de la pile et la chaleur résiduelle, qui est à haute température, peut être facilement récupérée. Très lourde, sensible aux vibrations et supportant mal les arrêts fréquents, la pile SOFC est destinée à des utilisations stationnaires (unité de production électrique pour logements collectifs par exemple).
Texte sur les piles à combustible extrait du site ;

https://www.planete-energies.com/fr/medias/decryptages/les-differents-types-de-pile-combustible

 

Numéro de la Fiche 127
Dernière mise à jour 03/07/2021