Accus NiMH » Accumulateurs au nickel-hydrure métallique
Publié le : 23.10.2023 | Durée de lecture : 7 minutes
De nombreux petits appareils électroménagers destinés à un usage mobile sont équipés en usine d'un compartiment à piles. Les appareils classiques dans ce domaine sont les lampes de poche, disponibles dans une variété de modèles et de tailles. Mais les claviers et souris sans fil, les appareils radios ou les émetteurs de télécommande pour modélisme fonctionnent également souvent avec des piles.
Cependant, lorsque ces appareils sont utilisés fréquemment ou de manière prolongée, les piles ne sont pas viables sur le plan économique, ni responsables sur le plan écologique. Dans ce cas, les accumulateurs rechargeables représentent une bien meilleure alternative.
Pendant de nombreuses années, les accumulateurs à technologie nickel-cadmium (NiCd) étaient considérés comme le remplaçant idéal des piles. Cependant, l'Union européenne a restreint l'utilisation de ces accumulateurs en raison de la présence de cadmium, un métal lourd toxique, ce qui limite désormais les cellules NiCd à quelques applications spécifiques.
Les accumulateurs nickel-hydrure métallique (NiMH) sont désormais utilisés en remplacement, car ils sont moins nocifs pour l'environnement et offrent également une performance supérieure. Nous sommes ravis de vous expliquer plus en détail la technologie des accumulateurs NiMH et de partager quelques informations privilégiées.
L'acronyme NiMH signifie nickel-hydrure métallique et fait référence aux matériaux des électrodes utilisés. Le terme "hydrure métallique" décrit une combinaison de métaux et d'hydrogène. Dès les années 1960, le principe de stockage réversible de l'hydrogène dans un alliage métallique spécifique a été développé. Les accumulateurs nickel-hydrure métallique basés sur ce principe sont sur le marché depuis 2006. Bien qu'une cellule NiMH ait une densité d'énergie et une durée de vie nettement supérieures à celles d'un accumulateur NiCd, elle n'atteint pas le niveau de performance d'un accumulateur lithium-ion.
Cependant, les accus NiMH présentent un avantage décisif : elles ne sont pas aussi sensibles à la surcharge et à la décharge profonde qu’un accumulateur lithium, par exemple. De plus, la tension des cellules NiMH est d'environ 1,2 volt, ce qui est proche de celle d'une batterie standard de 1,5 volt par cellule. Bien que les accus aient une tension légèrement plus élevée, la plupart des appareils peuvent fonctionner avec des accumulateurs NiMH rechargeables au lieu de piles. C'est pourquoi les accumulateurs NiMH sont le remplaçant parfait des piles.
C'est également la raison pour laquelle ces accumulateurs sont principalement proposés dans les configurations classiques d’accus (voir aussi l'image en haut). Ils existent également en formes spéciales et parfois avec des cosses à souder pour un raccordement fixe dans des circuits électroniques.
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Notre conseil pratique : autres alternatives aux piles
À première vue, on pourrait penser que la différence de tension entre les accumulateurs NiMH (1,2 volt par cellule) et les piles (1,5 volt par cellule) n'est pas très significative, car la différence n'est que de 0,3 volt. Cependant, si l'on considère cette différence en pourcentage, un accumulateur NiMH a exactement 20 % de tension en moins qu'une pile. Cela peut parfois poser des problèmes avec des appareils sensibles à une tension de fonctionnement trop basse. Dans ce cas, les accumulateurs nickel-zinc rechargeables, qui fournissent une tension de 1,6 volt par cellule, peuvent être une solution. Ces accumulateurs sont disponibles dans différentes tailles, comme mignon ou micro.
Un accumulateur à technologie NiMH est construit comme la plupart des accumulateurs. Dans un boîtier, deux électrodes sont séparées électriquement par un séparateur (par exemple, du polyoléfine). Les électrodes elles-mêmes sont constituées d'une grille porteuse sur laquelle est appliquée la masse active de l'électrode.
L'électrode négative d'un accumulateur NiMH est composée d'un alliage de nickel capable de stocker de l'hydrogène.
La composition matérielle de l'électrode positive dépend de l'état de charge de la batterie. Lorsque la batterie est chargée, l'électrode positive est constituée d'oxyhydroxyde de nickel(III). Lorsqu'il est déchargé, l'électrode est composée d'hydroxyde de nickel.
La taille de l'électrode négative détermine la capacité de la cellule et donc la quantité d'énergie électrique pouvant être stockée. L'électrode négative est conçue pour être nettement plus grande que l'électrode positive, afin qu'il reste suffisamment d'hydrogène à la fin du processus de décharge pour être oxydé, sans que le métal ne s'oxyde.
Un électrolyte à base de solution de potasse (KOH) à 20 % est utilisé, avec un pH de 14.
1) Électrode positive | 2) Électrode négative | 3) Séparateur | 4) Plaque de connexion du pôle négatif | 5) Plaque de connexion du pôle positif | 6) Joint d'étanchéité | 7) Capuchon du pôle positif | 8) Soupape de surpression avec ressort hélicoïdal | 9) Espace intérieur avec électrolyte
Comme pour tous les accumulateurs, lors du processus de charge d'un accu NiMH, l'énergie électrique est convertie en énergie chimique. Lors de la décharge, l'énergie chimique est à nouveau convertie en énergie électrique. Des processus spécifiques se déroulent à l'intérieur de la cellule, que nous allons examiner plus en détail.
Processus de charge
En appliquant la tension de charge, des électrons chargés négativement sont retirés du pôle positif de la batterie et mis à disposition du pôle négatif de l'accumulateur.
Lorsqu'elle est déchargée, l'électrode positive est constituée d'hydroxyde de nickel (II). En libérant des électrons, l'électrode positive s'oxyde en oxyhydroxyde de nickel (III).
Pour ce faire, l'électrode absorbe des ions hydroxyde de l'électrolyte et libère de l'eau dans l'électrolyte.
Sur l'électrode négative, en absorbant des électrons, l'eau se décompose en hydrogène et en ions hydroxyde, l'hydrogène étant absorbé par l'électrode et stocké dans la structure.
Electrode positive : Ni(OH)2 + OH- → NiO(OH) + H2O + e-
Electrode négative : M + H2O + e- → M(H) + OH-
Ni(OH)2 = hydroxyde de nickel (II)
NiO(OH) = oxyhydroxyde de nickel (III)
OH- = ion hydroxyde
H2O = eau
e- = électron
M = métal élémentaire (alliage de nickel)
M(H) = métal enrichi en hydrogène
Remarque :
L'eau produite par l'électrode positive lors de la charge est à nouveau décomposée par l'électrode négative. En revanche, les ions hydroxyde produits par l'électrode négative sont absorbés par l'électrode positive. Par conséquent, il n'y a aucun changement de concentration dans l'électrolyte lors de la charge.
Processus de décharge
Lorsque les deux électrodes sont reliées par un circuit électrique externe, les électrons se déplacent du pôle négatif vers le pôle positif en passant par le consommateur.
Les processus chimiques à l'intérieur de l'accumulateur sont alors exactement opposés au processus de charge.
L'électrode négative absorbe les ions hydroxyde et génère des molécules d'eau avec l'hydrogène qui est stocké dans l'électrode. Les électrons ainsi libérés sont transmis au circuit électrique.
Sur l'électrode positive, les électrons qui traversent le circuit électrique réduisent l'oxyhydroxyde de nickel (III) en hydroxyde de nickel (II). Pour ce faire, l'eau est absorbée par l'électrolyte et les ions hydroxyde sont cédés à l'électrolyte.
Electrode négative : M(H) + OH- → M + H2O + e-
Electrode positive : NiO(OH) + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-
Remarque :
L'eau produite par l'électrode négative lors de la décharge est à nouveau décomposée par l'électrode positive. En revanche, les ions hydroxyde produits par l'électrode positive sont absorbés par l'électrode négative. C'est pourquoi il n'y a pas non plus de changement de concentration au sein de l'électrolyte lors de la décharge.
Comme nous l'avons déjà mentionné, les accus NiMH rechargeables sont idéales pour remplacer les piles de manière écologique. Toutefois, tous les appareils mobiles fonctionnant avec des piles ne sont pas adaptés aux accumulateurs. Il ne s'agit pas ici de la tension légèrement inférieure des cellules des accumulateurs. Il s'agit plutôt de la consommation de courant et de la fréquence d'utilisation.
Voici quelques exemples :
La télécommande d'un téléviseur intelligent, par exemple, fonctionne généralement avec des piles de taille mignon ou micro. Si l'on utilise ici des piles de haute qualité, celles-ci fonctionnent pendant plusieurs mois, car la consommation d'énergie est extrêmement faible. Une batterie NiMH traditionnelle (sans technologie LSD) devrait être retirée et rechargée plusieurs fois pendant cette période, car l'autodécharge des accumulateurs NiMH est plusieurs fois supérieure à la consommation électrique effective de la télécommande.
Une lampe de poche d'urgence, die bei , qui est à portée de main en cas de panne de courant et qui éclaire le chemin vers la boîte à fusibles dans l'obscurité, doit contenir des piles de haute qualité. Les lampes de poche d'un service de sécurité qui doivent fonctionner plusieurs heures de façon fiable peuvent être alimentées par des accus NiMH.
Bien entretenir les accus
La qualité de chaque accu dépend de l'entretien qu'on lui apporte. C'est particulièrement vrai pour les accus NiMH. En effet, le bon entretien de l’accumulateur commence immédiatement après l'achat. Pour qu'un accu NiMH puisse déployer toute sa puissance, il doit d'abord être chargé et déchargé plusieurs fois. Les spécialistes parlent dans ce cas d'une formation de batterie.
Les chargeurs haut de gamme disposent d'un réglage de programme de charge séparé pour la formation et peuvent s'en charger automatiquement. Contrairement aux batteries au plomb ou au lithium, qui ne supportent pas bien la décharge profonde, les accus NiMh ne doivent être chargées que lorsqu'elles sont vides. C'est pourquoi de nombreux chargeurs proposent la fonction « décharger/charger », qui permet de recharger complètement des accumulateurs qui ne sont que partiellement déchargés.
Un autre point important est l'autodécharge. Celle-ci est plus importante pour les accus de plus grande capacité et peut atteindre environ 5 à 10% le premier jour, avant de se stabiliser à environ 0,5% par jour à température ambiante.
C'est pourquoi il est préférable de charger les accus NiMH juste avant de les utiliser.
Le problème est également connu des fabricants et c'est la raison pour laquelle des accus NiMh LSD (Low Self Discharge) ont été développés, qui présentent une autodécharge nettement plus faible.
Selon le fabricant, ces accus sont souvent proposées avec la mention « Ready to use » ou « Always Ready ».
Notre conseil pratique : Accus NiMH dans les téléphones sans fil
Les téléphones sans fil DECT sont également souvent équipés d’accus NiMH. Si les combinés passent toute la journée dans le compartiment de charge et sont rechargés immédiatement après chaque appel, les accus souffrent également. Il est préférable de ne placer le téléphone sur le chargeur que lorsque la batterie est vide ou presque vide. À cet effet, la plupart des téléphones permettent de consulter l'état de charge actuel de la batterie sur l'écran.
Qu’est-ce que l’effet mémoire ?
L'effet de mémoire se produit lorsqu'une batterie est constamment déchargée à une faible dose et rechargée immédiatement après. Si la batterie est ensuite complètement déchargée, elle ne peut absorber qu'une très petite partie de la capacité de charge possible lors de la charge. Cet effet ne se produit toutefois que sur les accus dotés de la technologie NiCd. Les accus NiMH présentent un phénomène similaire, appelé effet d'inertie de la batterie ou effet de batterie paresseuse. Toutefois, l'effet n'est pas aussi prononcé avec le NiMH qu'avec le NiCd et peut être facilement éliminé en chargeant et en déchargeant plusieurs fois.
Les accus NiMH peuvent-ils être chargés également avec des chargeurs NiCd ?
Il est déconseillé d'utiliser d'anciens chargeurs destinés aux accus NiCd pour des accumulateurs nickel-hydrure métallique. Surtout si les chargeurs sont à charge rapide et fournissent des courants de charge élevés. En effet, la baisse de tension à la fin de la courbe de charge (-∆U), qui sert à reconnaître un accu entièrement chargé, n'est pas aussi élevée ou aussi prononcée avec la technologie NiMH. Il est préférable d'utiliser un chargeur spécial, explicitement conçu pour les accumulateurs NiMH.
Que signifie la mention 2000 mAh ?
L'indication mAh signifie milliampères par heure et indique la capacité de l'accumulateur. Dans ce cas, une batterie de 2000 mAh serait capable de délivrer un courant de 200 mAh pendant 10 heures.
Pourquoi l’accu n'atteint-il pas la capacité imprimée ?
Les chargeurs dotés d'un indicateur de capacité peuvent indiquer avec une relative précision la capacité chargée ou déchargée. Toutefois, les indications de capacité figurant dans les fiches techniques ou imprimées sur l'accumulateur se réfèrent toujours à des valeurs mesurées en laboratoire et dans des conditions optimales. C'est pourquoi les indications techniques sont élevées en conséquence. La durée de décharge est alors d'environ 10 heures, le courant de décharge étant adapté à la durée de décharge. Lorsque les courants sont plus élevés et que les temps de charge et de décharge sont donc plus courts, la capacité utile de l'accumulateur diminue également.
Qu'est-ce qui caractérise la qualité d'un accumulateur ??
Il existe des batteries ou des accumulateurs rechargeables dans différentes catégories de prix. Une capacité élevée n'est pas toujours déterminante. En effet, celle-ci est souvent obtenue au détriment de la résistance interne. Les accumulateurs de haute qualité ont de bonnes valeurs de capacité et une faible résistance interne, ce qui fait que la tension de l'accumulateur ne baisse pas ou ne s'effondre pas, même en cas de courant élevé.