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RÉSUMÉ
Un accumulateur (ou pile et batterie) est un générateur électrochimique, c’est-à-dire un dispositif qui transforme directement l’énergie libérée par une réaction chimique en énergie électrique. Ces sources autonomes d’énergie électrique peuplent notre quotidien, de la pile bouton à l’accumulateur de grande taille dans les transports électriques autonomes, en passant par les batteries de nos téléphones portables. Cet article expose le processus électrochimique qui régit le fonctionnement d’un accumulateur, il s’attache ensuite à décrire les surtensions et les caractéristiques intensité-potentiel de tels dispositifs.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jack ROBERT : Professeur émérite à l’université Paris Sud XI
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Jean ALZIEU : Ingénieur-chercheur à Électricité de France
INTRODUCTION
Les termes pile, accumulateur, batterie, désignent des dispositifs dont la fonction est de transformer directement, c’est-à-dire sans passage par une forme intermédiaire, l’énergie libérée par une réaction chimique en énergie électrique. Ces dispositifs sont des générateurs électrochimiques. Les piles et accumulateurs sont des sources autonomes d’énergie électrique dont l’usage est extrêmement répandu. Ainsi des piles « boutons » alimentent les montres à quartz, des accumulateurs au plomb, dits « SLI », assurent le démarrage (Start), l’éclairage (Light) et l’allumage (Ignition) des véhicules à moteur thermique tandis que des batteries diverses (Ni-Cd, Ni-MH, Li-ion) alimentent des systèmes portables tels que téléphones, ordinateurs, outils à main. Au-delà de ces applications « grand public », l’accumulateur intervient dans le secteur industriel. On peut citer les batteries stationnaires de secours et celles équipant les chariots de manutention. En perspective, le stockage massif de l’énergie électrique pourrait, d’une part, faciliter le fonctionnement des réseaux, d’autre part, jouer le rôle de tampon auprès de générateurs intermittents d’énergie électrique (éoliens, photovoltaïques).
La multiplication des dispositifs alimentés par des générateurs électrochimiques résulte notablement des évolutions actuelles relatives aux techniques, à l’économie ainsi qu’à la prise en considération des problèmes environnementaux. La miniaturisation des dispositifs électroniques et la diminution de la consommation d’énergie électrique qui l’accompagne, entraînent l’apparition d’engins autonomes ou portables, chaque jour plus nombreux. Face à ce marché émergeant, des constructeurs ont développé des générateurs électrochimiques bien adaptés en taille et performances aux dispositifs qu’ils alimentent. Le téléphone cellulaire offre un exemple convaincant de cette évolution. En ce qui concerne les accumulateurs de grande taille et capacité, les transports électriques autonomes (ne nécessitant pas de caténaire) et le stockage au niveau des réseaux électriques apparaissent comme des axes de développement imposés par des considérations économiques et environnementales. Dans tous les cas, les performances et le coût des accumulateurs introduisent des limitations sévères. Mais la solidité des raisons qui sont à l’origine de ces développements, interdit leur échec définitif. Pour l’heure, la commercialisation de véhicules hybrides et la réalisation de sites pilotes en stockage réseau, constituent des avancées concrètes mais modestes.
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1. Présentation d’un accumulateur
Une réaction d’oxydoréduction spontanée est susceptible, dans des conditions appropriées, d’engendrer un courant électrique. Pour ce faire, la réaction globale se décompose en deux réactions partielles, simultanées, distinctes dans l’espace, dont l’une donne lieu à une capture et l’autre, à une libération d’électrons. Ces électrons, dont la circulation exige un circuit fermé, sont échangés entre les deux sites réactionnels à travers un élément de circuit extérieur, tandis qu’un transfert de charges s’effectue sous forme ionique à l’intérieur du système entre les électrodes, sièges de chacune des réactions. Pour ce faire, ces dernières sont immergées dans un milieu approprié, généralement liquide, parfois solide, l’électrolyte. Celui-ci est dissocié en ions et présente une conductivité électronique nulle (afin de ne pas court-circuiter les électrodes). Ainsi donc, le courant électrique est de nature électronique dans la partie extérieure du circuit et de nature ionique au sein du générateur, ce qui impose un transfert de charges au niveau des deux sites réactionnels. Bien entendu, ce déplacement de charges suppose un champ électrique. Il apparaîtra plus avant que celui-ci résulte de l’existence d’une différence de potentiel entre les deux électrodes. L’énergie électrique générée au niveau du circuit extérieur est donc égale au produit de cette tension et du courant.
Ce processus constitue la décharge du générateur électrochimique. Dans certains cas, le passage, à partir d’une source extérieure, d’un courant de sens inverse de celui produit spontanément pendant la décharge, ramène les électrodes à leur état initial. Le générateur est alors dit secondaire ou appelé accumulateur. Un tel processus n’est pas toujours possible et il existe des électrodes irréversibles. Dans ce cas, le générateur est déchargé une seule fois et de façon définitive. On parle alors de générateur primaire ou de pile. Le stockage de l’énergie électrique, précédemment évoqué, impose des accumulateurs. Les installations de secours, le véhicule électrique et le stockage massif au niveau des réseaux d’énergie électrique offrent en ce domaine les voies les plus prometteuses.
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