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Un accumulateur électrique ou simplement un accumulateur, est un système destiné à stocker de l'énergie électrique, sous forme électrique (condensateur) ou électrochimique (batterie d'accumulateurs , parfois appelées à tord : pile rechargeable).
Lorsque l'on parle d'éléments rechargeables on utilise le terme d'accumulateur.
On les distingue des piles électriques qui ne sont par définition pas rechargeables. Ces piles fournissent l'électricité provenue de leur potentiel chimique par construction (il n'y a pas de première charge à établir à la fabrication).
On distingue aussi les accumulateurs des dispositifs complexes qui convertissent de l'énergie électrique pour la stocker sous une autre forme (par exemple cinétique) et qui peuvent ensuite reconvertir cette énergie dans l'autre sens pour générer du courant (voir : stockage d'énergie).
Généralités
L'énergie électrique peut se stocker :
- 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 au plomb. Les avantages sont un gain de poids et un fonctionnement possible par très grand froid (véhicules polaires). L'inconvénient en est encore le prix au Wh 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.
Compte-tenu des limites des techniques de stockage direct de l'électricité, le mot accumulateur désigne en électricité un dispositif réversible de conversion de l'électricité sous une autre forme d'énergie, et plus particulièrement un dispositif de conversion d'énergie électrique en énergie chimique, 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.
Différents types de couples chimiques sont utilisés pour la réalisation d'accumulateurs électriques.
Caractéristiques d'un accumulateur
- 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 quelques volt pour un élément. Comme en pratique on désire des tensions plus élevées, (typiquement 12, 24 voire 48 V), pour augmenter la tension on branche des éléments en série au sein d'une batterie d'accumulateur (c'est sans doute l'origine du terme « batterie » comme synomyne courant pour « accumulateur », et en anglais, pour « 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).
- Le débit d'un accumulateur se mesure en ampère.
- La capacité électrique se mesure dans la pratique par référence au temps de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure), mais l'unité officielle (SI) est le coulomb.
- 1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C ; 1 C = 1 Ah/3 600 = 0,278 mAh ;
- L'énergie stockée se mesure usuellement en Wh (watt-heure mais l'unité officielle (SI) est le joule.
- 1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,278 mWh
- Enfin, une des caractéristiques importantes d'un accumulateur est sa masse et la densité massique d'électricité (Ah/kg) ou d'énergie (Wh/kg) qu'il peut restituer. Dans certaines applications, moins fréquente, le volume (en m3 ou en litre) peut aussi jouer un rôle.
Plomb-acide
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2 V. Il s'agit du système le plus ancien, mais aussi potentiellement l'un des plus polluants.
- C'est le dispositif de stockage d'énergie électrique utilisés dans la plupart des véhicules automobiles. Voir l'article détaillé Batterie au plomb.
- 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.
- Il crut avoir inventé la pile à combustible, mais comprit vite que ce n'était pas l'oxygène et l'hydrogène gazeux qui rendaient le courant, mais la modification chimique (oxydation) de la surface du plomb.
- Son appareil se composait de deux lames de plomb roulées en spirales et maintenues écartées par des bandes isolantes, pour augmenter la surface des électrodes 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, G.Planté constata qu’il était nécessaire de faire subir aux électrodes une série de cycle charge/décharge qui constituait 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 est facile. Le transport et le recyclage des batteries est de plus en plus sévèrement réglementé, ce qui augmente les frais, diminue la rentabilité du recyclage ; par conséquent la quantité de batteries recyclées a tendance à diminuer, le prix du kilogramme de batteries devient inférieur au prix du kilogramme de ferraille.
- 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 dispersion 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 meilleurs performances possibles.
Ni-Cd (nickel-cadmium)
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V. Ce couple électrochimique est l'un des plus couramment utilisé depuis plusieurs décénnies pour fabriquer des batteries d'accumulateur alimentant les appareils portatifs. Ce type d'accumulateur possède un fort effet mémoire, ce qui oblige 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 10 fois) et sa décharge naturelle est beaucoup plus lente que celle du Ni-MH. Par contre le cadmium est très polluant. Ce type d'accumulateur permet un nombre de cycles charge/décharge plus important que les accus Li-ion et beaucoup plus important que les Ni-MH (durée de vie supérieure)
Quand on parle de décharger complètement une batterie cela sous entend bien sûr de ne pas descendre en dessous de 1 V / élément. Ceci est la tension minimum en dessous de laquelle l'élément ne doit jamais descendre sous peine de destruction partielle, voir complète. La décharge se déroule en trois phases. Premièrement une chute rapide de la tension vers la valeur de 1,2V/élément. Puis une longue plage ou la tension reste stable à cette valeur. Et enfin une avalanche de la tension de l'accumulateur. C'est là qu'il faut stopper rapidement la décharge avant la destruction. La proportion de la longueur de ces phases est fonction du courant débité. Pour une décharge optimale, il faut se conformer aux indications données par le constructeur en fonction de la technologie et des caractéristiques de l'accu. En fonction de leur technologie les accus peuvent débiter plus ou moins de courant pour une même capacité.
Cette technologie sera interdite à partir du 1er juillet 2006 suivant la directive européenne 2002/95/CE DU PARLEMENT EUROPÉEN ET DU CONSEIL du 27 janvier 2003 relative à la limitation de l'utilisation de certaines substances dangereuses dans les équipements électriques et électroniques.
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.
La fin de charge est caractérisée par une variation de la tension de charge (dv/dt) très faiblement négative. C'est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge.
Lithium-ion
Commercialisée pour la première fois par Sony Energitech en 1991, la batterie lithium ion occupe aujourd'hui une place prédominante sur le marché de l'électronique portable. Ses principaux avantages sont une densité d'énergie spécifique et volumique élevée (4 à 5 fois plus que le Ni-MH par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire (aucun ou presque). Enfin, l'auto-décharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le lithium aux systèmes de petite taille.
La batterie lithium-ion fonctionne sur l'échange reversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié et une électrode négative en graphite. L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissout dans un mélange de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactives.
La tension d’un élément Li-ion est de 3,6 V. Cette équivalence 1 élément Li-Ion=3 éléments Ni-MH est très intéressante car elle permet dans certains cas de faire une substitution pure et simple, du li-Ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique. De plus le Ni-MH est d'une utilisation plus sûre, en particulier lors de la charge.
Ce problème de sécurité impose d'intégrer un système électronique de protection, embarqué le plus souvent dans chaque élément au lithium. (Il empêche une charge ou décharge trop profonde : sinon le danger peut aller jusqu'à l'explosion de l'élément.)
Les courants de charge et de décharge admissibles sont aussi plus faibles qu'avec d'autres technologies. Enfin, un autre défaut : les éléments vieillissent même en l'absence d'utilisation. Quel que soit le nombre de charges/décharges leur durée de vie serait limitée à une durée d'environ 2 ou 3 ans après fabrication.
Le lithium commence à apparaitre sous de nouvelles versions. Le lithium-ion polymère (Li-po, encore très chère cette version peut être très fine et prendre toutes les formes). Et le lithium-phosphate (qui aurait une capacité de stockage encore améliorée). Deux technologies à suivre...
Piles alcalines rechargeables
Contrairement aux a priori les piles alcalines dites «non rechargeables» peuvent être elles aussi (re)chargées partiellement (seulement si le chargeur est spécifiquement adapté à cet usage, sinon il y a danger; en particulier ne pas utiliser les chargeurs pour accu). Certes, elles subiront un nombre de cycles moins grand qu'un accumulateur. Toutefois, tant qu'on reste dans les conditions de réversibilité de leur chimie (ne pas descendre sous 1,25 volt par exemple), il est possible de les régénérer plusieurs dizaines de fois. Toutefois cette possibilité est très méconnue du grand public. La plupart des chargeurs ne sont adaptés qu'aux accumulateurs Ni-Cd ou Ni-MH. En les rechargeant souvent, on peut espérer des centaines voire des milliers de cycles. Toujours est-il qu'une version améliorée de l'alcaline et spécifiquement destinée à être rechargée existe dans le commerce. Elles sont appelées « alcalines rechargeables » et sont moins sensibles aux décharges.
Les piles alcalines sont particulièrement adaptées aux appareils qui ne déchargent ni trop vite ni trop profondément leurs piles. Elles peuvent aussi servir d'"accu de secours" grâce à leur longue durée de conservation de la charge hors utilisation.
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 que, de plus, le brome est particulièrement dangereux.
Les couples étudiés sont: sodium-brome, vanadium-brome et zinc-brome.
Tableau comparatif des différentes technologies
| Type | Énergie massique | Tension d'un élément | Durée de vie (nombre de recharges) | Temps de charge | auto-décharge par mois | align=center | Plomb | 30-50 Wh/kg | 2 V | 200-300 | 8-16 h | 5 % | align=center | Ni-Cd | 48-80 Wh/kg | 1,25 V | 1 500 | 1 h | > 20 % | align=center | Ni-MH | 60-120 Wh/kg | 1,25 V | 300-500 | 2-4 h | > 30 % | align=center | Alcaline | 80-160 Wh/kg | 1,5-1,65 V | 100 | 1-16 h (selon capacité) | < 0,3 % | align=center | Li-ion | 110-160 Wh/kg | 3,7 V | 500-1 000 | 2-4 h | 10 % | align=center | Li-Po | 100-130 Wh/kg | 3,7 V | 300-500 | 2-4 h | 10 % | |}
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