Composés inorganiques dans les dispositifs de stockage de l’énergie

Stockage électrochimique

 Dans les dernières décennies l’importance du stockage d’énergie est devenue primordiale dans trois domaines assez différenciés :[1] • la production et distribution de l’énergie électrique (application stationnaire) • les outils et dispositifs portatifs (applications embarquées) • les véhicules électriques (VE) et hybrides électriques (VEH) (application de traction) Un système de stockage d’énergie (SSE) est un système réversible permettant le stockage de l’énergie et sa restitution. Selon la nature du stockage, on peut distinguer le stockage direct et le stockage indirect comme indiqué sur la Figure 1[1,6].  Stockage directe : Ce sont des techniques qui permettent de stocker directement l’énergie sous forme électrique. Il s’agit : des condensateurs, des supercondensateurs et des inductances supraconductrices. Ces techniques de stockage sont considérées comme des sources de puissance à cause de leur grande puissance spécifique et de leur faible densité [7].  Stockage indirect : l’énergie est stockée sous une autre forme : électrochimique, mécanique ou gazeuse (air, hydrogène), nécessitant une conversion réversible pour passer d’une forme à une autre. Pour stocker l’énergie de façon significative et l’utiliser sur de longues périodes, il est nécessaire de la transformer d’abord en une autre forme d’énergie intermédiaire et stockable (potentielle, cinétique, chimique ou thermique).

Les accumulateurs électrochimiques

Dispositif

Un accumulateur électrique (électrochimique) est un système capable de restituer de l’énergie électrique à partir d’une réaction chimique (stockage indirect) [3]. Si un accumulateur est rechargeable alors son fonctionnement est réversible. De l’énergie électrique peut être absorbée pour être stockée à nouveau sous forme chimique. Les batteries sont des accumulateurs formés par l’association de plusieurs éléments nommés cellules électrochimiques. Une cellule électrochimique est le composant le plus simple qui peut constituer un accumulateur électrique. Elle est composée principalement de deux électrodes (cathode et anode) immergées dans un électrolyte [1,2]. Le séparateur et les collecteurs de courant sont aussi des composants nécessaires au fonctionnement d’une cellule électrochimique [1]. Ces dispositifs sont des sources d’énergie, dont la densité d’énergie est supérieure à celle des sources de puissance et peut varier notablement en fonction de la technologie.

Grandeurs caractéristiques

Un SSE est caractérisé par deux grandeurs fondamentales que sont l’énergie et la puissance. D’autres caractéristiques techniques (liées à ces deux grandeurs) sont également à prendre en compte : la capacité de stockage, les temps de charge et décharge, l’autonomie, la durée de vie, l’autodécharge et le rendement énergétique.

L’énergie

L’énergie stockée est la quantité d’énergie disponible dans le système de stockage. L’énergie s’exprime en Wh ou en J. L’énergie d’un système ne peut être entièrement restituée. On distingue l’énergie maximum stockée Wstockée [Wh] obtenue après la charge complète du système, et l’énergie utile Wutile [Wh]. L’énergie utile est fonction de la profondeur de décharge applicable au dispositif de stockage. La densité énergétique, appelée également énergie spécifique, est l’énergie stockée ramenée à la masse ou au volume de l’élément de stockage. On distingue donc la densité énergétique massique en Wh.kg-1 et la densité énergétique volumique en Wh.L-1 ou Wh.dm-3 

La puissance

La puissance disponible Pd (en W) est la puissance qu’un système de stockage d’énergie peut fournir lors de sa décharge. On détermine généralement une puissance moyenne Pmoy [W] et/ou une puissance maximum Pmax [W]. La densité de puissance, ou puissance spécifique, est la puissance disponible rapportée à la masse ou au volume de l’élément de stockage. Elle s’exprime en W.kg-1 , W.L-1 ou W.dm-3 

Capacité de stockage

La capacité est l’aptitude d’un système à emmagasiner de l’énergie, à la conserver pendant un certain temps et à la restituer dans des conditions données .

Temps de décharge/temps de charge

Pour un SSE, la durée ou le temps de décharge est un critère important, puisqu’elle qualifie son aptitude à restituer rapidement son énergie stockée. On définit la durée de décharge comme étant le temps de restitution de l’énergie stockée par le système, à puissance maximum, tdech = Wstockée / Pmax. Pour certains éléments de stockage, la durée de charge pourrait s’avérer comme un critère déterminant dans la comparaison des uns par rapport aux autres. En effet, certains SSE sont limités en puissance lors de la recharge, ce qui impacte directement leur temps de charge.

Autonomie

On détermine l’autonomie d’un système de stockage en considérant son énergie utile et sa puissance disponible. Le rapport des deux donne une durée [s] telle que : α = Wutile / Pd. I.2.2.6. Durée de vie (cyclage) La durée de vie ou durabilité définit l’aptitude d’un élément de stockage à délivrer, de manière récurrente, son énergie après recharge. Elle s’exprime en nombre de cycles, un cycle comprenant une charge et une décharge. Le nombre de cycles est un des critères de comparaison entre les divers éléments de stockage.

Autodécharge

Il s’agit d’une certaine quantité d’énergie initialement stockée dans l’élément et progressivement dissipée lorsque l’élément est hors fonctionnement. Elle s’exprime relativement en [%], par rapport à l’énergie stockée. 10 I.2.2.8. Rendement énergétique Le rendement énergétique pour un élément de stockage est le rapport entre l’énergie restituée sous forme électrique et l’énergie stockée. Elle est comprise entre 0 et 1 

Les différents types d’accumulateurs

Les accumulateurs électrochimiques sont classés en familles selon leur «chimie», c’est-à-dire en fonction de la réaction chimique sur laquelle se base chaque accumulateur. Ainsi nous distinguons principalement quatre familles : plomb-acide (Pb-ac), nickel-cadmium (Ni-Cd), nickel-hydrure (Ni-MH) et lithium.

Les accumulateurs au plomb-acide

L’accumulateur au plomb fut la première batterie rechargeable inventée par Raymond Gaston Planté en 1859. Cette technologie de batterie est très mature et son faible cout est son principale avantage. Son électrolyte est une solution aqueuse d’acide sulfurique, l’électrode positive est constituée d’oxyde de plomb PbO2 et l’électrode négative de plomb Pb [2,3]. La réaction mise enjeu est la suivante : 𝑃𝑏 + 𝑃𝑏𝑂2 + 2 2𝑆𝑂4 2𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2 2 . La tension aux bornes d’un accumulateur varie de 1,7 V (état de charge minimum) à 2,5 V (état de charge maximum) [7]. Ses inconvénients sont sa faible densité d’énergie, l’électrolyte utilise est corrosif(H2SO4) et le plomb est un métal toxique.

Les accumulateurs au nickel-cadmium

Inventées en 1899 par Waldemar Jünger, les batteries Ni-Cd offraient une densité d’énergie et une durabilité supérieures à celles du plomb, sa capacité est plus grande et nécessite moins d’entretien. L’électrolyte est à base de potasse, l’électrode positive est composée d’hydroxyde de nickel et l’électrode négative de cadmium. Ces éléments réagissent de la manière suivante [1, 2,7] : 2 i(𝑂𝐻) + 𝐶𝑑 + 2 2 2𝑁𝑖(𝑂𝐻)2 + 𝐶𝑑(𝑂𝐻)2. Il faut noter que le cadmium est très toxique, le nickel est limite et le cout est élevé .

Les accumulateurs au nickel-hydrure

Il a été développé dans les années 1970 pour répondre au problème du cadmium dans les accumulateurs Ni-Cd, et remplace depuis les années 1990 l’accumulateur Ni-Cd avec des niveaux de performances assez comparables [1,3]. Elle présente par rapport à la technologie Ni-Cd un gain énergétique et l’avantage de ne pas utiliser de cadmium [1 ,5]. L’électrode positive est de l’hydroxyde de nickel, l’électrode négative est un alliage métallique capable d’adsorber l’hydrogène et l’électrolyte est une solution d’hydroxyde de potassium (kOH) [1, 2,5]. La réaction est la suivante : NiOOH + MH M + Ni(OH)2 Ses inconvénients sont son cout élevé et sa tension de fin de décharge est limitée a 1V .

Accumulateurs au lithium

Les premières technologies au lithium ont vu le jour dans les années 1960, elles accumulent l’énergie électrique par intercalation des composés de lithium aux deux électrodes [3]. Le lithium possède une faible masse atomique (6,94 g/mol) et une forte capacité spécifique (3860 Ah/kg). Il possède également un bas potentiel de réduction électrochimique (-3,045 V) qui lui confère une haute énergie spécifique. Cet élément est donc très intéressant pour le stockage de l’énergie électrique.