Bibliographie & annexes
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En anglais
RÉSUMÉ
Le développement de batteries connaît ces dernières années un essor important notamment lié à l’accroissement des applications de mobilité (appareils électroniques et automobiles). Les deux principales technologies en volume sont aujourd’hui le plomb et le lithium-ion. Cela dit dans beaucoup de cas, d’autres couples électrochimiques conservent un intérêt particulier que ce soit pour des raisons de température ou de sécurité. Cet article va permettre de mettre un accent sur les batteries nickel-métal-hydrure en partant de la conception des accumulateurs jusqu’à la gestion en batterie. Des exemples d’applications serviront également à étayer les avantages de la technologie Ni-MH.
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The development of batteries has been booming in recent years, particularly due to the increase in mobility applications (electronic and automotive devices). The two main technologies in volume today are lead and lithium-ion. In many cases, however, other electrochemical couples remain of particular interest whether for reasons of temperature or safety. This article will focus on Nickel-Metal-Hydride batteries from battery design to battery management. Application examples will also support the benefits of Ni-MH technology.
Auteur(s)
-
Stéphane BLANCHIN : Responsable R&D conception Accumulateur/électrochimie - ARTS Energy, Nersac, France
INTRODUCTION
Le besoin mondial en stockage d’énergie connaît une croissance extrêmement importante. Le stockage électrochimique en est une des composantes essentielles. Le marché des batteries rechargeables a presque doublé en 15 ans, notamment avec la multiplication d’applications nomades, comme les téléphones cellulaires, ordinateurs portables, tablettes... Actuellement, cette croissance est portée plutôt par la progression des véhicules électriques, hybrides ou hybrides rechargeables. La demande dans ce secteur engendre une tension forte sur les volumes de production des batteries lithium-ion, qui est la technologie clé pour le secteur automobile grâce à une meilleure densité énergétique que les autres technologies rechargeables. Les technologies lithium-ion permettent d’obtenir des densités d’énergie massique et volumique bien plus élevées que les autres types (supérieures à 200 Wh · kg–1 et 500 Wh · L–1). Cependant, malgré l’effervescence autour de la technologie lithium-ion, force est de constater que les « anciennes » technologies ont encore une place importante.
Pour le montrer, il est intéressant d’analyser les différents types d’utilisation. Les applications de stockage électrochimique peuvent être classées en plusieurs catégories : batterie de démarrage, batterie de traction, batterie embarquée, batterie stationnaire et batterie portative. Pour chaque type d’utilisation, une ou plusieurs technologies sont utilisées et cela dépend avant tout des caractéristiques recherchées pour l’application : la tension (V), la capacité (Ah), la densité énergétique (Wh · kg–1 ou Wh · L–1), le besoin de puissance (W · kg–1), la durée de vie (le nombre de cycles ou la durée d’utilisation pour des applications de secours), les conditions de température (– 40 à + 80°C) et bien sûr le coût en €/kWh. Le coût représente une des composantes importantes mais il ne faut en aucun cas négliger la partie sécurité. De ce point de vue, les technologies lithium sont de loin les plus sensibles et nécessitent une grande attention lors de la conception des systèmes.
Dans ce contexte, les technologies principales (figure 1) sont :
-
le plomb-acide, actuellement le plus utilisé (batterie de démarrage des automobiles, batteries stationnaires) ;
les technologies lithium-ion, Li-ion (applications nomades et véhicules électriques) ;
le nickel-cadmium, Ni-Cd (applications stationnaires et ferroviaires) ;
le nickel-métal-hydrure, Ni-MH (véhicules hybrides, applications solaires et stationnaires).
Les volumes de production des deux premières sont en croissance alors que la technologie Ni-MH stagne. Cependant, dans des conditions extrêmes (température froide ou chaude) ou lorsque le besoin de sécurité est fort, cette technologie a encore un intérêt fort et connaît toujours des activités de recherche et développement importantes pour continuer à améliorer les performances à froid et la durée de vie.
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KEYWORDS
electrochimical storage | rechargeable batteries | Ni-MH accumulator
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Mode de défaillance des accumulateurs Ni-MH
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2. Conception accumulateur nickel-métal-hydrure
La conception d’un accumulateur nickel-métal-hydrure est comparable à celle d’un accumulateur nickel-cadmium bien que la réaction au niveau de l’électrode négative soit très différente de par sa nature. Les matériaux utilisés (hydroxyde de nickel, mousse, feuillard, électrolyte) sont également très proches de ceux qui composent les accumulateurs nickel-cadmium.
2.1 Réactions électrochimiques
Au niveau de l’électrode positive, la matière première est un hydroxyde de nickel Ni(OH)2 qui a la propriété de céder un électron et un proton pour former un oxyhydroxyde de nickel NiO(OH). L’électrolyte étant fortement basique, le proton va réagir avec un anion OH– pour former une molécule d’eau. La réaction peut s’écrire sous la forme :
avec :
- E° :
- potentiel standard.
Du côté de l’électrode négative, la matière active utilisée est un alliage métallique capable de stocker l’hydrogène sous forme d’hydrure métallique. Le processus de formation de cet hydrure est différent de celui qui est mis en œuvre dans le cas d’une utilisation en stockage d’hydrogène. Dans le cas de la réaction gaz-solide en stockage, la première phase consiste en une adsorption de molécule d’hydrogène à la surface du matériau suivie d’une migration dans la matière. Dans une cellule électrochimique, la première étape consiste en une réaction à l’interface liquide-solide. Un proton est arraché à une molécule d’eau, compensé par l’arrivée d’un électron. L’hydrogène va ensuite diffuser au cœur de l’alliage pour former une solution solide de type MH (ou M représente un alliage intermétallique et H l’hydrogène). Le terme hydrure indique que l’hydrogène est en interaction avec un composé moins électronégatif ou d’électronégativité comparable. Les atomes d’hydrogène se positionnent au niveau des sites libres dans la maille de l’alliage sous forme de solution solide,...
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Conception accumulateur nickel-métal-hydrure
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GLAIZE (C.) - À chaque application une technologie de batterie adaptée. - Journée Captronic, 23 sept. 2014.
-
(2) - LI (A.) - Analyse expérimentale et modélisation d’éléments de batterie et de leurs assemblages : application aux véhicules électriques et hybrides. Énergie électrique. - Université Claude Bernard – Lyon I (2013).
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(3) - CHANG (S.), YOUNG (K.-H), LIEN (Y.-L.) - Reviews of european patents on nickel/metal hydride batteries. - Batteries, vol. 3, n° 3, p. 25, août 2017.
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(4) - ETIEMBLE (A.) - Étude de matériaux hydrurables par émission acoustique – Application aux batteries Ni-MH. - INSA Lyon (2013).
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(5) - SHANGGUAN (E.), CHANG (Z.), TANG (H.), YUAN (X.-Z.), WANG (H.) - Regulation of the discharge reservoir of negative electrodes in Ni–MH batteries by using Ni(OH)x (x = 2.10) and γ-CoOOH. - Journal of Power Sources, vol. 196, n° 18, p. 7791-7796, sept. 2011.
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Catalogue Panasonic – Élément Eneloop https://www.panasonic-eneloop.eu
VARTA microbattery http://products.varta-microbattery.com
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Nilar http://www.nilar.com
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Salon : Batimat Reed Expositions Salon international de la construction, a lieu tous les deux ans à Paris (années impaires) http://www.batimat.com
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