Piles et accumulateurs. Denis Guérin Lycée Eiffel Dijon. Stockage de l’énergie électrique. Histoire. 1799, 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, - PowerPoint PPT Presentation
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Piles et accumulateurs
Denis Guérin
Lycée Eiffel Dijon
Stockage de l’énergie électrique
Histoire
1799, 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
Stockage de l’énergie électrique
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.
histoire
Stockage de l’énergie
Première batterie d’accumulateurs conçue par Gaston Planté
historique
Gaston Planté
Stockage de l’énergie
AccumulateursCes 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.
PilesLes générateurs électrochimiques qui ne peuvent en principe pas être rechargés sont des piles.
BatteriesUne 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).
Vocabulaire
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.
Stockage de l’énergieGénérateur électrochimique
Stockage de l’énergieGénérateur 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
Stockage de l’énergie
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.
Stockage de l’énergie
Stockage de l’énergie
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,...).
Stockage de l’énergie
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
Capacité d’un accumulateur
denis
Le problème de ces accumulateurs est évidemment leur capacité réelle. Il faut bien comprendre ce que veut dire le 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
denis
A titre d'amusement comparons l'énergie massique d'une batterie NiMh de type R6 :Tension 1.4 V, capacité 1.5 A.h, masse 25 grammesÉnergie massique 1.5 * 1.2 / 0.025 = 72 Wh/kgÉnergie massique des grosses et antiques batteries au plomb = 35 Wh/kgÉnergie massique des minuscules et modernes batteries NiMh = 72 Wh/kgÉnergie massique des lithium-Ion = 110 Wh/kgPour information, Pile à combustible = 120 Wh/kgCe qui est extrêmement loin (facteur 430 !) de l'essence ou du fuel (environ) = 15.000 Wh/kg et (facteur 1000 !) de l'hydrogène = 34.000 Wh/kg Ces valeurs sont très étonnantes et montrent que les remarquables batteries NiMh récentes ont à peine le double de capacité des antiques batteries au plomb (qui égalent celle des anciennes CdNi), mais c'est déjà très bien !Les nouvelles technologies (Lithium et autres) ont des performances bien meilleures, mais malheureusement le rendement énergétique des carburants fossiles est tellement plus grand, que les voitures et bateaux électriques ne sont pas pour demain.
Stockage de l’énergieCapacité 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.
Stockage de l’énergie
Densité d’énergie massique
Densité de puissance massique
Cyclabilité
Résistance interne
autodécharge
Caractérisation
Stockage de l’énergie
énergie massique d'une batterie NiMh de type R6 :Tension 1.4 V, capacité 1.5 A.h, masse 25 grammesÉnergie massique 1.5 * 1.2 / 0.025 = 72 Wh/kg
Énergie massique des grosses et antiques batteries au plomb = 35 Wh/kgÉnergie massique des minuscules et modernes batteries NiMh = 72 Wh/kgÉnergie massique des lithium-Ion = 150 Wh/kg
Pour information, l'essence ou du fuel (environ) = 15.000 Wh/kg et de l'hydrogène = 34.000 Wh/kg
Energie massique
Stockage de l’énergieNickel Cadmium
Stockage de l’énergieNickel Cadmium grande capacité
Stockage de l’énergieNickel Metal Hydrure
denis
Les accus NiMh ont par contre le défaut (nul n'est parfait...) d'avoir une résistance interne plus importance que les accus NiCd et ainsi de ne pas convenir pour la propulsion. La technologie Métal Hydrure est très avantageuse pour alimenter nos émetteurs et nos récepteurs.Dernièrement, des éléments supportant des décharges rapides (20 à 30 A) sont apparut. L'utilisation de ces éléments pour la propulsion est possible permettant ainsi d'augmenter l'autonomie de nos modèles (à suivre...)
Stockage de l’énergieLithium Ion
denis
LA DECHARGE DES ACCUS AU LITHIUM Comme pour les autres technologies les accus au Lithium ont une tension minimum de décharge en dessous de laquelle il ne faut surtout pas les décharger sous peine de destruction des éléments. La tension basse de destruction est de 2,5 Volts Mais en utilisation il ne faut pas descendre en dessous de 3 Volts.De toute façon entre les deux celà va très vite la courbe de tension en décharge chute très très vite. L'autodécharge des accus au Lithium est d'environ 10% par mois. Les accus au Lithium sont aujourd'hui capables de débiter de forts courants. Leur résistance interne s'approche maintenant de celle des accus Ni-Cd ou Ni-MH. Résistance interne du Li-ion : environ 150 à 250 milliOhms Résistance interne du Li-po : environ 200 à 300 milliOhms Celà permet à cette technologie de débiter des courants à un taux de 1C pouvant aller à plus de 2C. Certains modèles spéciaux Li-po sont aujourd'hui capables de débiter des courants de 10C pouvant aller à 15C en pointe.Attention ne jamais mettre en court-circuit un accumulateur au Lithium.Il y a un fort risque d'échauffement interne pouvant entraîner l'inflammation de l'accu (Li-po) et même l'explosion du boîtier (Li-ion). Donc : Attention aux surfaces sur lesquelles vous posez vos accus, Il ne faut pas qu'elles soient conductrices.Ne rangez pas vos accus en vrac, Pour les radiomodélistes, faites attention aux packs qui ont subi un crash, certains Li-po ayant subi des "lésions" internes se sont enflammés spontanément au bout de quelques dizaines de minutes... Aujourd'hui pour prévenir ce genre de risque , la plupart des accus au Lithium vendus en pack sont équipés de circuits de protections et notamment d'un fusible, pour protéger des éventuels court-circuits. Inutile de vous rappeler que dans ce cas, si le fusible fonctionne, le pack est inutilisable. Il part au recyclage...
Stockage de l’énergieLithium Ion
Stockage de l’énergie
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.
Application des nanotechnologies
aux batteries Lithium Ion Toshiba Corp.
denis
« Il s’agit sûrement de la première batterie ion-lithium au monde qui peut être chargée en une minute. Cette batterie présente un fort potentiel. Elle pourrait être utilisée pour les téléphones portables dans le futur mais, nous avons donné la priorité à des applications telles que les voitures qui ont besoin d’un temps de recharge rapide et d’une durée de cycle longue », explique Norio Takami, directeur du Laboratoire de matériaux fonctionnels avancés du Centre de recherche et développement de Toshiba. La batterie prototype de Toshiba présente une capacité de 600mAh et mesure 8 mm d’épaisseur, 62 mm de hauteur et 35 mm de profondeur. Elle a été testée sur un lecteur audio doté d’un disque dur pendant environ 10 minutes avec une vitesse de chargement de 5 milliwatts en 5 secondes. Selon M. Takami, on observe une détérioration de la capacité de la batterie inférieure à 1% après 1 000 cycles de charge/décharge. La batterie comprend une anode en cobalt et une cathode composée d’un matériau non carbone à la place du matériau carbone utilisé dans les batteries ion-lithium conventionnelles. Cependant, Toshiba l’appelle batterie ion-lithium parce que le mouvement de la charge électrique dépend de l’ion-lithium. Toshiba a réalisé ce progrès scientifique en utilisant des nanoparticules de plusieurs centaines de nanomètres enrobées uniformément sur l’électrode négative et une solution électrolytique récemment développée. Cette formulation stable ne réagit pas avec les ions lithium au niveau de la cathode d’une manière qui pourrait réduire la durée de cycle de la batterie. La solution électrolytique et les nanoparticules permettent à un grand nombre d’ions lithium de se déplacer rapidement vers la cathode et d’être stockés dans les particules en mode de recharge. Avec une solution électrolytique stable, la batterie se décharge de 80% de sa capacité à moins 40°C, contre 100% à 25°C pour les batteries ion-lithium conventionnelles. En fonctionnement à température élevée, Toshiba précise que la capacité ne se détériore que de 5% à 45°C après 1 000 cycles de charge/décharge. La tension de la batterie, qui n’a pas été dévoilée par Toshiba, est inférieure aux 3,6 volts des batteries ion-lithium actuelles. Toshiba prévoit de démarrer la production en série de la batterie au cours de son exercice 2006, clos en mars 2007. La production de la batterie risque toutefois d’être compliquée après la fermeture par Toshiba d’AT Battery, sa filiale dédiée aux batteries ion-lithium, en décembre dernier, et la vente des usines de fabrication de batteries à Sanyo Electric Co. Ltd. l’été dernier. Toshiba réfléchit à présent à la question de la commercialisation de la batterie.