UNE batterie, qui est en fait une cellule électrique, est un appareil qui produit de l'électricité à partir d'une réaction chimique. À proprement parler, une batterie se compose de deux ou plusieurs cellules connectées en série ou en parallèle, mais le terme est généralement utilisé pour une seule cellule. Une cellule se compose d'une électrode négative; un électrolyte, qui conduit des ions; un séparateur, également conducteur d'ions; et une électrode positive. le électrolyte peut être aqueux (composé d'eau) ou non aqueux (non composé d'eau), sous forme liquide, pâteuse ou solide. Lorsque la cellule est connectée à une charge externe ou à un appareil à alimenter, l'électrode négative fournit un courant d'électrons qui traversent la charge et sont acceptés par l'électrode positive. Lorsque la charge externe est supprimée, la réaction cesse.
Une batterie principale est une batterie qui ne peut convertir ses produits chimiques en électricité qu'une seule fois et doit ensuite être jetée. Une batterie secondaire a des électrodes qui peuvent être reconstituées en renvoyant l'électricité à travers elle; également appelée batterie de stockage ou rechargeable, elle peut être réutilisée plusieurs fois.
Cette batterie utilise de l'oxyde de nickel dans son électrode positive (cathode), un composé de cadmium dans son électrode négative (anode) et une solution d'hydroxyde de potassium comme électrolyte. La batterie au nickel-cadmium est rechargeable, elle peut donc fonctionner à plusieurs reprises. Une batterie au nickel-cadmium convertit l'énergie chimique en énergie électrique lors de la décharge et reconvertit l'énergie électrique en énergie chimique lors de la recharge. Dans une batterie NiCd entièrement déchargée, la cathode contient de l'hydroxyde de nickel [Ni (OH) 2] et de l'hydroxyde de cadmium [Cd (OH) 2] dans l'anode. Lorsque la batterie est chargée, la composition chimique de la cathode est transformée et l'hydroxyde de nickel se transforme en oxyhydroxyde de nickel [NiOOH]. Dans l'anode, l'hydroxyde de cadmium est transformé en cadmium. Lorsque la batterie est déchargée, le processus est inversé, comme le montre la formule suivante.
La batterie nickel-hydrogène peut être considérée comme un hybride entre la batterie nickel-cadmium et la pile à combustible. L'électrode en cadmium a été remplacée par une électrode à hydrogène gazeux. Cette batterie est visuellement très différente de la batterie au nickel-cadmium car la cellule est un récipient sous pression, qui doit contenir plus de mille livres par pouce carré (psi) d'hydrogène gazeux. Il est nettement plus léger que le nickel-cadmium, mais il est plus difficile à emballer, un peu comme une caisse d'oeufs.
Les batteries au nickel-hydrogène sont parfois confondues avec les batteries au nickel-hydrure métallique, les batteries couramment utilisées dans les téléphones portables et les ordinateurs portables. Les batteries nickel-hydrogène, ainsi que les batteries nickel-cadmium utilisent le même électrolyte, une solution d'hydroxyde de potassium, communément appelée lessive.
Les incitations au développement de batteries nickel / hydrure métallique (Ni-MH) proviennent de préoccupations urgentes en matière de santé et d'environnement pour trouver des remplacements pour les batteries rechargeables nickel / cadmium. En raison des exigences de sécurité des travailleurs, le traitement du cadmium pour les batteries aux États-Unis est déjà en cours d'élimination. En outre, la législation environnementale des années 1990 et du 21e siècle rendra très probablement impératif la limitation de l'utilisation du cadmium dans les piles pour les consommateurs. Malgré ces pressions, à côté de la batterie plomb-acide, la batterie nickel / cadmium détient toujours la plus grande part du marché des batteries rechargeables. D'autres incitations à la recherche de batteries à base d'hydrogène découlent de la conviction générale que l'hydrogène et l'électricité remplaceront et fraction importante des contributions énergétiques des ressources en combustibles fossiles, devenant ainsi la base d'un système énergétique durable basé sur les énergies renouvelables sources. Enfin, le développement de batteries Ni-MH pour véhicules électriques et véhicules hybrides suscite un intérêt considérable.
L'électrolyte KOH ne peut transporter que les ions OH- et, pour équilibrer le transport de charge, les électrons doivent circuler à travers la charge externe. L'électrode oxyhydroxyde de nickel (équation 1) a fait l'objet de nombreuses recherches et caractérisations, et son application a été largement démontrée pour les applications terrestres et aérospatiales. La plupart des recherches actuelles sur les batteries Ni / Métal Hydride ont impliqué l'amélioration des performances de l'anode à hydrure métallique. Plus précisément, cela nécessite le développement d'une électrode à hydrure présentant les caractéristiques suivantes: (1) longue cycle de vie, (2) haute capacité, (3) taux élevé de charge et de décharge à une tension constante, et (4) rétention capacité.
Ces systèmes sont différents de toutes les batteries mentionnées précédemment, en ce sens qu'aucune eau n'est utilisée dans l'électrolyte. Ils utilisent à la place un électrolyte non aqueux, composé de liquides organiques et de sels de lithium pour fournir une conductivité ionique. Ce système a des tensions de cellule beaucoup plus élevées que les systèmes à électrolyte aqueux. Sans eau, l'évolution de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux est éliminée et les cellules peuvent fonctionner avec des potentiels beaucoup plus larges. Ils nécessitent également un assemblage plus complexe, car ils doivent être effectués dans une atmosphère presque parfaitement sèche.
Un certain nombre de piles non rechargeables ont d'abord été développées avec du lithium métal comme anode. Les piles bouton commerciales utilisées pour les piles de montres d'aujourd'hui sont principalement une chimie du lithium. Ces systèmes utilisent une variété de systèmes cathodiques suffisamment sûrs pour être utilisés par les consommateurs. Les cathodes sont constituées de divers matériaux, tels que le monofluorure de carbone, l'oxyde de cuivre ou le pentoxyde de vanadium. Tous les systèmes à cathode solide sont limités dans le taux de décharge qu'ils prendront en charge.
Pour obtenir un taux de décharge plus élevé, des systèmes de cathode liquide ont été développés. L'électrolyte est réactif dans ces conceptions et réagit au niveau de la cathode poreuse, qui fournit des sites catalytiques et une collecte de courant électrique. Plusieurs exemples de ces systèmes comprennent le chlorure de lithium-thionyle et le dioxyde de lithium-soufre. Ces batteries sont utilisées dans l'espace et pour des applications militaires, ainsi que pour des balises de détresse au sol. Ils ne sont généralement pas accessibles au public car ils sont moins sûrs que les systèmes à cathode solide.
La prochaine étape de la technologie des batteries lithium-ion serait la batterie lithium-polymère. Cette batterie remplace l'électrolyte liquide par un électrolyte gélifié ou un véritable électrolyte solide. Ces batteries sont censées être encore plus légères que les batteries au lithium-ion, mais il n'est actuellement pas prévu de faire voler cette technologie dans l'espace. Il n'est pas non plus couramment disponible sur le marché commercial, bien qu'il puisse être au coin de la rue.
Rétrospectivement, nous avons parcouru un long chemin depuis la fuite lampe de poche batteries des années 60, lorsque le vol spatial est né. Il existe une large gamme de solutions disponibles pour répondre aux nombreuses exigences du vol spatial, 80 en dessous de zéro aux températures élevées d'un vol solaire. Il est possible de gérer un rayonnement massif, des décennies de service et des charges atteignant des dizaines de kilowatts. Il y aura une évolution continue de cette technologie et un effort constant vers l'amélioration des batteries.