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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-H2 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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Accumulateur nickel-cadmium
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3. Accumulateur étanche nickel-hydrure métallique
3.1 Introduction
Apparu dans les années 1980, l’accumulateur étanche nickel- hydrure métallique est plus récent que les deux précédents. Il constitue l’aboutissement de recherches menées depuis 1970 sur des alliages susceptibles de stocker de l’hydrogène. Il en est résulté la mise au point d’hydrures métalliques et le concept de l’électrode à hydrogène stocké à basse pression. Cet accumulateur est habituellement désigné par le symbole Ni-MH. Cette appellation est approximative puisque, comme dans le cas de l’accumulateur nickel- cadmium (ou nickel-fer), l’électrode positive est à base d’oxyhydroxyde de nickel NiOOH. L’accumulateur Ni-MH diffère de l’accumulateur Ni-Cd au niveau de l’électrode négative dont le matériau actif est, au lieu de cadmium, de l’hydrogène absorbé dans un alliage métallique. Dans ces conditions, les comportements et les courbes caractéristiques des deux systèmes sont comparables et les fem à vide quasi identiques (1,30 à 1,35 V). Un gain significatif en énergie volumique favorise le développement du système Ni-MH au détriment du système Ni-Cd, d’autant plus que l’énergie spécifique de l’électrode à base d’hydrure métallique est plus élevée que celle d’une électrode à base cadmium. En conséquence, l’accumulateur Ni-MH présente une énergie spécifique élevée (80 Wh/kg, à comparer aux 55 ou 35 Wh/kg, respectivement, des systèmes Ni-Cd ou plomb-acide et 300 Wh/dm3, 350 Wh/dm3 en éléments cylindriques, ce qui lui confère une compacité supérieure à celle des accumulateurs au lithium). Cela étant, d’autres facteurs viennent tempérer ces avantages. L’accumulateur Ni-MH est le siège d’une autodécharge comparable à celle de l’accumulateur Ni-Cd, est médiocrement adapté aux régimes rapides (supérieurs à C ) en charge comme en décharge. Il en résulte, en régime permanent, une densité de puissance comparable à celle des couples PbO2-Pb ou Ni-Cd (au mieux 200 W/kg). Par contre, l’accumulateur Ni-MH fait beaucoup mieux en régime impulsionnel. Ce point, largement influencé par l’émergence du véhicule hybride, sera abordé au paragraphe 3.5.3...
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