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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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2. Accumulateur nickel-fer
2.1 Introduction
L’accumulateur nickel-fer, inventé par Edison, a été breveté aux États-Unis en 1901, la même année donc que l’accumulateur nickel- cadmium. Ces deux systèmes présentent de fortes analogies. À l’état chargé, l’électrode positive de l’accumulateur nickel-fer est constituée d’oxyde de nickel NiOOH tandis que l’électrode négative est un mélange de poudre de fer et d’oxyde magnétique Fe 3O4 . L’électrolyte est de la potasse. L’industrialisation date de 1909. Les électrodes tubulaires en pochette, mises alors au point et toujours fabriquées, sont aujourd’hui concurrencées par des structures métalliques poreuses ou frittées ainsi que par des structures fibreuses. Les performances spécifiques et la durée de vie sont comparables à celles du couple nickel-cadmium, mais l’accumulateur nickel-fer est pénalisé par un rendement de charge faible, une autodécharge importante et un comportement médiocre à basse température. Par contre, le fer est un matériau plus pratique d’emploi que le cadmium du fait de son faible prix et de son absence de toxicité. Enfin, sa capacité spécifique est deux fois supérieure à celle du cadmium. Dans cette situation contrastée, le développement de l’accumulateur nickel-fer a été lent et limité à quelques pays, dont les États-Unis, tandis que ses applications se sont longtemps identifiées à celles du nickel-cadmium (stationnaire, installations de secours et d’alarme, traction lourde…). Elles se sont étendues, quelques années durant, de façon limitée, au véhicule électrique. Aujourd’hui, ce type d’accumulateur n’a plus les faveurs des acteurs influents du domaine.
HAUT DE PAGE2.2 Réactions électrochimiques et grandeurs associées
À l’état chargé, un élément d’accumulateur nickel-fer se présente sous la forme du système électrochimique :
Les réactions de charge-décharge sont comparables aux réactions ...
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