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Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Un accumulateur est un convertisseur bidirectionnel d’énergie chimique en énergie électrique, absolument indispensable à notre société, du plus petit produit sans fil au plus gros système de stockage raccordé au réseau. Le fait qu’il puisse spontanément délivrer un courant, dès lors que l’on relie ses bornes, s’explique au moyen de considérations théoriques issues de nombreux champs de la physique (thermodynamique, chimie, électricité).
Cet article explique successivement le fonctionnement de l’électrolyte seul, puis de l’électrode plongée dans l’électrolyte et, pour finir, de l’accumulateur complet.
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Arechargeablebatteryisabidirectionalconverterofchemicalenergy intoelectricalenergy,absolutelyessentialtooursociety,fromthesmallestwi-reless product to the largest grid-connected storage system. The fact that it can spontaneously deliver a current when its terminals are connected is explained by theoretical considerations coming from many fields of physics (thermo- dynamics, chemistry, electricity).
This article explains the operation of the electrolyte alone, then the electrode immersed in the electrolyte, and finally the complete battery.
Auteur(s)
-
Mikaël CUGNET : Ingénieur chercheur / Expert senior batteries - Université Grenoble Alpes, CEA, Liten, Campus Ines, Le Bourget-du-Lac, France
INTRODUCTION
Un accumulateur est un dispositif électrochimique complexe permettant de convertir l’énergie chimique, des matériaux actifs des électrodes qui le composent, en énergie électrique. Cette dernière est mise à disposition lors de la fermeture du circuit électrique reliant ses bornes positive et négative. L’accumulateur se distingue de la pile, en cela qu’il est rechargeable électriquement, au moyen d’un courant électrique circulant en sens inverse de celui de la décharge. Les accumulateurs peuvent être regroupés en batterie afin de satisfaire les exigences d’applications de plus en plus variées, dont notre société a besoin. Des plus petits produits sans fil aux plus gros systèmes de stockage raccordés au réseau électrique, en passant par l’électrification massive du transport, une large gamme d’accumulateurs, de tailles et de technologies variées, s’active pour fournir la puissance et l’énergie requises.
Le fait qu’un accumulateur puisse spontanément délivrer un courant, dès lors que l’on relie ses bornes, n’est pas sans poser un problème de sécurité évident. Il s’agit d’une alimentation électrique non interruptible, nécessitant une formation et une habilitation électrique à partir de certains seuils de tension et de quantité de charges stockées dans l’accumulateur, afin de garantir son exploitation sans danger. Au-delà des aspects sécuritaires, comprendre pourquoi ce courant est disponible spontanément nécessite de se plonger dans des considérations théoriques issues de nombreuses disciplines scientifiques : la thermodynamique, la physique, l’électrochimie, entre autres…
Tout d’abord, il est nécessaire de comprendre ce qu’est un électrolyte, car il est un composant indispensable de l’accumulateur. Les considérations chimi-ques relatives aux ions et au solvant peuvent donner au lecteur l’impression qu’il perd son temps, en étudiant des phénomènes se produisant à une échelle d’espace si éloignée de la réalité physique du quotidien qui l’entoure. Cependant, cette étape est primordiale, car elle pose les bases de concepts qui ont des répercussions sur les limites de l’accumulateur en fonctionnement.
Ensuite, vient l’étude de l’électrode. De par le fait qu’elle est plongée dans l’électrolyte, la notion d’interface peut être introduite, et avec elle, l’apparition d’un champ électrique. On commence petit à petit à comprendre la force électromotrice à l’œuvre, et sa dépendance à l’environnement (température et pression). Nous expliquons également pourquoi un potentiel est inaccessible seul, comment une électrode de référence peut nous permettre d’y accéder indirectement, et quel est le prix à payer. Hors équilibre, c’est-à-dire quand un courant traverse l’électrode, nous montrons que son potentiel électrique chute en raison de surtensions ayant des origines bien distinctes.
Enfin, l’accumulateur dans son ensemble est traité comme un système fermé, ayant ses propres caractéristiques, déterminées par la nature des électrodes et de l’électrolyte qui le composent. Nous abordons ses limites et la possibilité d’assembler plusieurs accumulateurs en batterie pour repousser toujours plus loin les limites.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
Battery | electrolyte | electrode | rechargeable battery
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2004 par Jack ROBERT, Jean ALZIEU
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Accumulateur
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2. Électrode
2.1 Interface électrode/électrolyte
Dans un électrolyte, les espèces chargées qui constituent le soluté sont réparties de manière homogène dans la solution, ce qui satisfait le principe d’électroneutralité :
( 56 )
À l’équilibre, les forces que subissent les ions sont identiques en toute direction et en tout point de l’électrolyte (isotrope et homogène) ; enfin, presque partout, car tout électrolyte est limité par un contenant et les parois de ce contenant constituent autant d’interfaces. Les forces qui s’exercent sur les ions deviennent alors anisotropes, car la présence d’une autre phase bouleverse l’équilibre de la solution.
De la même manière, si nous plongeons une électrode dans cette solution, alors nous mettons en contact un conducteur électrique avec un conducteur ionique, ce qui provoque les processus suivants :
-
redistribution des particules de l’électrolyte ;
-
accumulation d’espèces ioniques à la frontière de l’électrolyte ;
-
accumulation de charges opposées à la frontière de l’électrode ;
-
séparation de charge sous l’effet du champ électrique (~ 107 V · cm–1) ;
-
développement d’une différence de potentiel à l’interface.
Le champ électrique E, défini à l’équation (53), est unique en tout point, de sorte que ϕ e est...
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Électrode
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOCKRIS (J.O.), REDDY (A.K.N.) - Modern Electrochemistry 1: Ionics chapter Ion-Solvent Interactions. - Springer US Boston, MA, p. 35-224 (1998).
-
(2) - DAS (D.), MANNA (S.), PURAVANKARA (S.) - Electrolytes, additives and binders for NMC cathodes in Li-ion batteries – a review. - Batteries, 9(4) (2023).
-
(3) - SHAKOURIAN-FARD (M.), KAMATH (G.), SANKARANARAYANAN (S.K.R.S.) - Evaluating the free energies of solvation and electronic structures of lithium-ion battery electrolytes. - ChemPhysChem, 17(18), p. 2916-2930 (2016).
-
(4) - BOCKRIS (J.O.), REDDY (A.K.N.) - Modern Electrochemistry 1: Ionics chapter Ion-Ion Interactions. - Springer US Boston, MA, p. 225-359 (1998).
-
(5) - BAZANT (M.Z.) - Theory of chemical kinetics and charge transfer based on nonequilibrium thermodynamics. - Accounts of Chemical Research, 46(5), p. 1144-1160 (2013).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Électrochimie appliquée – Caractérisations des systèmes électrochimiques.
-
Batteries nickel-métal-hydrure (Ni-MH) – Technologie, applications et enjeux.
-
De Volta aux accumulateurs Li-ion – Développement des batteries au lithium.
-
Batteries électriques pour applications portables et embarquées – Technologies.
ANNEXES
Union internationale de chimie pure et appliquée (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) https://iupac.org/
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