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RÉSUMÉ
Cet article est consacré aux accumulateurs dont le matériau actif positif de l’électrode est l’oxyhydroxyde de nickel, notamment les accumulateurs nickel-cadmium, nickel-fer ou nickel- hydrure métallique, les plus récents. Dans ces différents accumulateurs, le nickel, réduit pendant la décharge, est associé à divers matériaux négatifs. Sont détaillés successivement les réactions dont sont le siège ces accumulateurs, leur constitution, puis leurs caractéristiques et performances.
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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
On dit « accumulateur nickel-cadmium » ou « nickel-fer » ou « nickel- zinc »… En fait, le matériau actif positif est de l’oxyhydroxyde de nickel NiO(OH), où le nickel est à l’état d’oxydation 3. Ce composé se transforme pendant la décharge en hydroxyde de nickel Ni(OH) 2 où le nickel est à l’état d’oxydation 2. Ainsi le nickel, siège d’une réduction pendant la décharge, est un matériau positif d’électrode. Il est associé à divers matériaux négatifs. Historiquement, les premiers ont été le cadmium et le fer en 1900, le zinc en 1930, l’hydrogène après 1960, les matériaux hydrurables après 1985. Les systèmes Ni-Cd et Ni-Fe sont respectivement traités aux paragraphes 1 et 2. Le système Ni-Zn n’a pas véritablement connu à ce jour de succès commercial du fait de la durée de vie limitée de l’électrode de zinc. Cette situation pourrait évoluer du fait des efforts consentis en faveur du véhicule électrique. L’accumulateur étanche Ni-H 2 est un dispositif hybride qui met en œuvre deux technologies, celle de l’accumulateur au niveau de l’électrode à oxyde de nickel et celle des piles à combustibles au niveau de l’électrode à hydrogène. Enfin le système nickel-hydrure métallique (Ni-MH) est traité au paragraphe 3. Ces matériaux négatifs sont plus performants que le nickel dans la mesure où ils échangent deux électrons tandis que l’hydrogène est plus léger. Mais le nickel s’est imposé comme matériau positif du fait de la robustesse des électrodes auxquelles il conduit. Ces dernières ont des durées de vie exceptionnelles qui peuvent atteindre plusieurs milliers de cycles.
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1. Accumulateur nickel-cadmium
1.1 Introduction
Les accumulateurs nickel-cadmium ont été découverts en Suède par Waldemar Jungner, qui déposa un premier brevet en 1899, qu’il étendit aux États-Unis en 1901. L’invention mettait en œuvre de l’hydroxyde de nickel Ni(OH) 2 à l’électrode positive, un mélange de cadmium et de fer à la négative et un électrolyte aqueux, KOH (hydroxyde de potassium ou potasse). L’appellation consacrée par l’usage, accumulateur nickel-cadmium, est donc approximative. La production industrielle d’accumulateurs nickel-cadmium à électrodes positives planes, conformes au brevet précité, débuta en 1909. Les principes de fabrication, mis alors au point, restent d’actualité pour la plupart d’entre eux. Ces accumulateurs ont une durée de vie comparable à celle des accumulateurs au plomb (au moins 1 000 cycles), mais des caractéristiques, en décharge rapide, inférieures. Les travaux de deux scientifiques allemands, Schlecht et Ackermann ont conduit, en 1928, à un principe de réalisation de plaques frittées des deux polarités, capables en décharge rapide de performances supérieures à celles du plomb. De telles plaques ont été fabriquées en Allemagne, il y a aujourd’hui près de soixante ans, mais il n’y eût pas, pour autant, de production industrielle significative jusque dans l’immédiat après-guerre. C’est en effet vers 1950 que cette technique, quelque peu améliorée, conduisit à des accumulateurs étanches, de puissance spécifique élevée (capables d’un courant de décharge de 30 C ), rapidement rechargeables (3 min). Le marché offre aujourd’hui un large éventail de produits, depuis les batteries spiralées, de capacité comprise entre 10 mAh et 15 Ah, jusqu’aux batteries stationnaires ouvertes de 1 000 Ah et au-delà. Toutes ces batteries présentent des durées de vie de l’ordre de 1 000 cycles charge-décharge pour les batteries industrielles et 500 cycles pour les éléments spiralés, y compris dans des conditions d’exploitation difficiles (surcharges fréquentes, régime de décharge élevé, basses températures). Il apparaîtra au paragraphe 1.4 que les performances techniques de l’accumulateur nickel-cadmium...
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