Les familles de piles et d'accumulateurs
Les principales catégories de piles
Les piles salines
Les piles alcalines
Les piles Zinc-air
Les piles Zinc-argent
Les piles au lithium
Les principales catégories d'accumulateurs
Les accumulateurs Nickel-Cadmium (NiCd)
Les accumulateurs Nickel-Metal-Hydrure (NiMH)
Les accumulateurs Lithium-Ion (Li-ion)
Les accumulateurs au plomb (Pb)
Fabriquées depuis plus de 140 ans, elles sont constituées d’une anode de zinc et d’une cathode de bioxyde de manganèse et d'un électrolyte de chlorure d’ammonium et de chlorure de zinc immobilisé sous forme de pâte ou de gel. La tension théorique est de 1.5 V.
Elles sont fiables, peu coûteuses et destinées à alimenter des appareils qui consomment peu d’énergie.( par ex : torches, réveils, appareils radio, etc.) Ces piles sont commercialisées sous deux formes : cylindriques disponibles en différents diamètres et parallélépipédiques combinant plusieurs éléments et délivrant des tensions de 4,5 ou 6 ou 9 V.
Elles utilisent le même couple que les piles salines et diffèrent principalement par la structure du zinc (en poudre), l’électrolyte qui est une solution gélifiée et saturée en zincate et par la structure de la cathode. Leurs performances sont meilleures en régime de décharge rapide et pour une utilisation prolongée. Devenues progressivement meilleur marché, elles ont très largement supplanté les piles salines. A coté des modèles déjà cités pour les piles salines, on les trouve aussi sous forme bouton.
Un barreau de zinc constitue l’anode. L’oxydant est l’oxygène atmosphérique, absorbé sur un charbon actif. L’électrolyte peut être salin ou alcalin. Ces piles de grande capacité sont utilisées pour alimenter des clôtures électriques agricoles, des balises isolées, etc. Elles sont commercialisées également sous forme de piles bouton ; dans ce cas, l’anode est une dispersion de poudre de zinc dans de la potasse gélifiée (prothèses auditives).
Ces piles de formes bouton utilisent le couple ZN/ Ag2O. Elles sont caractérisées par une puissance importante et une bonne conservation. Elles sont utilisées, par exemple dans les montres.
Le lithium est un métal très réducteur, il donne à ces piles des tensions élevées (> 3 V). De plus, sa légèreté leur confère des densités énergétiques remarquables ; La réactivité du lithium en milieu aqueux impose l’emploi d’électrolytes exempts d’eau (organiques par exemples).
Ces piles possèdent une très bonne conservation. Elles sont utilisées pour alimenter par exemple : les ordinateurs portables, les lecteurs MP3, les consoles de jeux, les GPS etc.
Les accumulateurs Nickel- Cadmium(NiCd)
Ces accumulateurs ont une bonne énergie volumique et massique, sont d’un coût modique et d’une grande fiabilité (se rechargent jusqu'à 1000 fois) et présentent une grande tolérance aux décharges et aux charges rapides. En outre, leur aptitude à fournir des courants importants est un point fort pour des applications portatives.
Le principe de fonctionnement est l'échange d'un atome d'oxygène entre un oxyde de nickel et du cadmium pendant la décharge, puis reconstitution de l'oxyde de nickel et régénération du cadmium pendant la recharge :
Ils sont utilisés le plus souvent en batteries de 2,4 volts, 3,6 volts, 4,8 volts, 6 volts ou même jusqu'à 12 volts.
Leur principale difficulté d’utilisation réside dans « l’effet mémoire »
Les accumulateurs Nickel-Métal Hydrure (NiMH)
Le couple nickel-métal hydrure comporte une anode (négative) constitué d’alliage métallique capable d’absorber l’hydrogène, associée à une cathode (positive) d’hydroxyde de nickel, immergées dans une solution alcaline (électrolyte) composée de potasse, soude et lithine. Les éléments sont rechargeables et délivrent 1,2 V.
Le nickel métal-hydrure possède plus ou moins les mêmes propriétés que le nickel-cadmium avec lequel il partage la plupart de ses constituants, sauf évidemment l’alliage hydrurable qui constitue la matière active de l’anode. Il se distingue par une excellente énergie volumique (jusqu’à 140 Wh/L) et la possibilité d’éléments de grande capacité sans maintenance.
Les éléments étanches sont utilisés dans toutes applications professionnelles ou industrielles, sédentaires ou nomades. Les éléments ouverts sont utilisés dans des applications de traction et de secours dans les transports en commun (tramway, train) et véhicules industriels, dans le secours stationnaire ainsi que dans les applications photovoltaïques.
Ces accumulateurs ne présentent aucun effet mémoire, quelle que soit leur technologie.
Les accumulateurs Lithium- ion (Li-ion)
L’électrode négative (anode) est constituée de graphite et l’électrode positive (cathode) est un composé métallique comportant du lithium. Lors des cycles de décharges et de recharges, l’ion Li passe d’une structure à l’autre Du fait de la tension élevée (jusqu’à 4,2 V), l’électrolyte est non aqueux, constitué principalement d’un mélange de carbonates organiques.
Parmi les propriétés remarquables, le rendement faradique de charge (proche de 100%), la durée de vie calendaire (plus de 20 ans à température ambiante), la faible autodécharge (moins de 5 % par an), le fonctionnement entre - 30 et + 60 °C et la possibilité de connaître l’état de charge grâce à la mesure de la tension.
Actuellement, d’importants travaux de recherches sont motivés par l’utilisation de ce type de batterie pour l’alimentation des véhicules électriques.
Les accumulateurs au plomb (Pb)
Ce sont les accumulateurs les plus connus car ils équipent depuis longtemps les véhicules. En poids, ils représentent plus de 80% des générateurs électrochimiques mis sur le marché en France.
La cathode est constituée par une grille (plomb allié à l’antimoine), dont les mailles sont garnies d’une pâte poreuse de PbO2 Le même type de grille garnie de plomb spongieux forme l’anode. Ces deux électrodes baignent dans une solution d’acide sulfurique et sont séparées par un diaphragme poreux. Le système ainsi formé développe une différence de potentiel d’environ 2 V. Plusieurs cellules élémentaires montées en série constituent la batterie. Lors de la décharge, les électrodes se recouvrent de PbSO4. Ces réactions étant réversibles, il est possible de les recharger un grand nombre de fois. Lorsque l’électrolyte est gélifié, les batteries sont étanches et dites sans entretien.
Les avantages de ces accumulateurs résident dans une grande capacité, une aptitude à fournir des courants importants. Les inconvénients sont liés à leur masse, leur sensibilité à une décharge trop prononcée et au froid.
Leurs applications principales concernent :
- Le démarrage des véhicules automobiles
- La traction (chariots élévateurs, chariots de golf, etc.)
- Le stationnaire (alimentations de secours : services hospitaliers, centraux téléphoniques, etc.)
