vignette|Accumulateurs électrochimiques au Ni-MH dans un chargeur.
Un accumulateur électrique est un système destiné au stockage de l'énergie électrique sous une forme différente. Il repose sur une technique de conversion réversible d'énergie. Tous les processus de conversion d'énergie sont complexes et entraînent des pertes.
Le rapport entre l'énergie initiale et l'énergie restituée donne le rendement de conversion-accumulation, qui atteint au mieux 80 %. Les accumulateurs qui atteignent cette valeur ne sont pas transportables, ce qui oblige les utilisateurs à un compromis.
On distingue les accumulateurs selon leur technique : l'électrostatique : bouteille de Leyde, condensateur ou supercondensateur ; l'électrochimie, où les électrodes sont le siège de réactions chimiques ; l'électrodynamique : circuit bobiné.
Généralités L'énergie électrique peut donc se stocker de différentes manières. Sous forme d'énergie électrostatique, en accumulant des charges électriques dans un ou plusieurs condensateurs. L'apparition vers 1995 de condensateurs dont la capacité peut atteindre quelques centaines de farads, les supercondensateurs, permet de réaliser des substituts aux batteries d'accumulateurs classiques. Les avantages sont une diminution du poids et un fonctionnement possible par très grand froid (véhicules polaires). Avec un inconvénient de taille : le prix au kWh stocké est nettement plus élevé. Sous forme d'énergie électromagnétique, en établissant un courant électrique dans un circuit bobiné autour d'un circuit magnétique, de telle sorte que l'énergie nécessaire pour mettre en mouvement les charges électriques puisse être restituée par induction. La durée de stockage de l'énergie reste faible même avec les meilleurs métaux conducteurs que sont l'argent et le cuivre en raison des pertes dans le circuit par effet Joule ; un stockage de longue durée nécessite alors l'utilisation de matériaux supraconducteurs. Les dispositifs réalisés de cette façon sont connus sous le nom de SMES : Superconducting Magnet Energy Storage. Sous forme électrochimique, qui présente la caractéristique intéressante de fournir une tension (différence de potentiel) à ses bornes peu dépendante de sa charge (quantité d'énergie stockée) ou du courant débité. On utilise la propriété qu'ont certains couples chimiques d'accumuler une certaine quantité d'électricité en modifiant leur structure moléculaire et ceci de manière réversible. Différents types de couples chimiques sont utilisés pour la réalisation d'accumulateurs électriques.
Compte tenu des limites des techniques de stockage direct de l'électricité, le mot « accumulateur » désigne principalement le dispositif électrochimique mais depuis très longtemps on utilise aussi les deux autres formes d'accumulation pour les durées très courtes inférieures à la seconde (bobine, condensateur, principalement utilisés en conversion et redressement du courant alternatif). Depuis peu, on voit apparaître des nouveautés techniques jusqu'alors impensables, ainsi que l'annonce d'usages nouveaux de ces techniques. Par exemple, il n'existait pas de perceuses à accumulateurs efficaces avant les années 1980. Désormais, ces appareils autonomes portables possèdent une densité d'énergie toujours plus forte. Dans le domaine des super-condensateurs, les applications entrent désormais en concurrence avec les techniques classiques dans la course à la densité d'énergie pour certaines applications, avec des temps de charge et décharge très courts.
Exemples récents de développements des usages et des techniques vignette|La Jamais contente, électrique, première automobile capable d'atteindre les .
Automobiles : l'augmentation de la densité énergétique des accumulateurs a permis le développement de la voiture électrique. Vélos et micros-véhicules assistés : l'usage des vélos à assistance électrique se développe. Transport en commun : les super-condensateurs sont particulièrement intéressants pour les autobus, qui font des arrêts fréquents. Ils peuvent être équipés de gros super-condensateurs récupérant l'énergie du freinage et effectuant des recharges très brutales, à très forte puissance, en très peu de temps et à chaque arrêt du parcours, par un système de recharge adapté. En , la RATP a commandé 15 autobus hybrides Diesel-supercondensateur permettant d'économiser jusqu'à 30 % de carburant.. Aérien : depuis peu, de nombreux aéromodélistes utilisent des accumulateurs électriques pour la propulsion principale. Outils : la société Bosch a par exemple commercialisé une tondeuse à gazon professionnelle électrique-accumulateur en 2015 à la largeur standard, , très adaptée aux coupes d'entretien régulier. Énergie : des sociétés spécialisées annoncent développer des moyens fixes et compacts de conversion réversible d'énergie électrique de grande contenance (ERDF, Siemens, Toshiba). Tesla a fait l'annonce en 2015 de la commercialisation aux États-Unis de la batterie privée PowerWall de 7 à pour dès 2015« Une batterie pour économiser l'énergie domestique », France Info, 4 mai 2015.. le barrage hydraulique, technique très ancienne, est chargé d'accumuler de l'énergie hydraulique potentielle de pesanteur (déplacement en hauteur d'une quantité d'eau) et appelée pompage-turbinage. C'est cette technique de conversion-accumulation d'énergie qui a les meilleurs rendements, rendement d'un aménagement hydroélectrique dépassant 80 % « Pumped Hydropower », Energy storage association (consulté le 15 octobre 2019)., mais elle ne permet pas de construire des accumulateurs transportables.
Caractéristiques générales des accumulateurs électrochimiques vignette|redresse=1.5|Décharge/charge d'un accumulateur, sens du courant et des électrons. vignette|redresse=1.5|Décharge/charge d'un accumulateur, positive et négative vs. anode et cathode. Tension électrique La tension électrique, ou potentiel (en volts), est un paramètre important. Fixée par le potentiel d'oxydoréduction du couple redox utilisé, elle est de l'ordre de un à quelques volts pour un élément. En pratique des tensions plus élevées sont requises, typiquement de 12, 24 voire . Il suffit alors de raccorder des éléments du même type en série pour augmenter la tension, au sein d'une batterie d'accumulateurs. C'est l'origine du terme « batterie » comme synonyme courant de regroupement d’ « accumulateur » et, en anglais, de « pile ».
Charge électrique
La charge électrique (la quantité d'électricité emmagasinée par l'accumulateur) est exprimée en Ah (ou mAh : (milli)ampère-heure). Dans la pratique, elle se mesure en multipliant un courant constant (en ampères) par le temps de charge/décharge (en heures). Cependant l'unité officielle de charge du Système international d'unités (SI) est le coulomb, équivalent à un As (ampère pendant une seconde) : avec . Elle ne doit pas être confondue avec l'énergie stockée (voir ci-dessous).
La capacité de charge électrique, souvent appelée dans le langage courant capacité de l'accumulateur, est la charge électrique que peut fournir l'accumulateur complètement chargé pendant un cycle complet de décharge. Sa valeur initiale théorique doit être indiquée par le constructeur, suivant la réglementation actuelle (en Ah ou mAh, voir ci-dessus). Elle dépend de l'intensité de décharge (selon la loi de Peukert) et diminue au cours de la vie de l'accumulateur. La méthode de mesure la plus répandue consiste à mesurer, pour un courant de décharge constant donné, le nombre d'heures durant lesquelles l'accumulateur fournit ce courant, avec une tension supérieure à la tension de seuil (qui vaut, par exemple, pour un accumulateur NiMH). La tension à vide de l'accumulateur, facile à mesurer avec un voltmètre, ne donne généralement pas une indication fiable de la charge restant dans l'accumulateur, sauf dans le cas de la technique lithium-ion.
Énergie stockée L'énergie stockée dans la batterie est égale à sa charge électrique multipliée par la tension moyenne sous laquelle cette charge est déchargée. L'énergie stockée se mesure habituellement en watts-heures (Wh), mais l'unité officielle (SI) est le joule.
Débit maximum Le débit maximum, ou courant de pointe, d'un accumulateur se mesure en ampères. Il est généralement spécifié en amplitude et en durée et est généralement largement supérieur au débit permanent autorisé.
Résistance interne La résistance interne, exprimée en ohms, est la résistance qui provoque une chute de tension lors de la charge et de la décharge, induisant des pertes par effet joule. La résistance interne limite les courants de charge et de décharge. Comme les accumulateurs sont des dipôles non linéaires, elle est généralement mesurée pour des faibles variations de tension et de courant (de l'ordre de pour la tension). Sa mesure requiert un appareillage spécialisé. La résistance interne est assez simple à mesurer au moyen d'un voltmètre et d'un ampèremètre.
Beaucoup d'accumulateurs ont leur résistance interne qui augmente lorsqu'ils entrent en fin de vie.
La résistance interne est définie par l'équation : , donnée par la loi de Pouillet pour les générateurs de courant continu.
est la tension à vide de l'accumulateur, est le courant de décharge et la résistance interne.
La résistance interne prend seulement en compte la composante continue du courant de décharge. Or, lors des appels de courant provoqués par les appareils auxquels l'accumulateur est relié, le générateur ne se comporte pas tout à fait de la même manière, car les inductances propres et les capacités internes des accumulateurs entrent aussi en compte, c'est pourquoi on parle alors d'impédance interne. Les fabricants et testeurs professionnels réalisent des mesures sur le principe de l'équation de Pouillet présentée ci-dessus, mais en ayant recours à un courant haché à .
Courant de charge maximum Le courant maximum supportable pendant la recharge est indiqué en ampères, mais il est souvent exprimé en unités de charge, c'est-à-dire rapporté à la capacité. L'unité de charge est le rapport entre le courant de charge en A et la capacité C en Ah. Une valeur de correspond à pour une capacité de , ou à pour une capacité de . Dans les deux cas précédents, la charge dure .
Efficacité énergétique L'utilisation de la batterie à travers charge puis décharge donne lieu à des pertes. Ces pertes sont caractérisées par une efficacité énergétique, décomposée en deux termes. : efficacité coulombique (de courant) et efficacité de voltage.
La non-utilisation donne lieu à des pertes d'auto-décharge. Celles-ci ne sont pas directement liées à la quantité d'énergie stockée mais à la durée de stockage.
Densité d'énergie La densité massique d'énergie est une caractéristique importante d'un accumulateur. Elle correspond à la quantité d'énergie (exprimée en Wh/kg) qu'il peut restituer par rapport à sa masse.
La densité volumique, ou densité d'énergie, est une autre caractéristique qui peut avoir son importance et correspond à la quantité d'énergie (exprimée en Wh/m) qu'il peut restituer par rapport à son volume. On utilise plus couramment les Wh/dm, soit Wh/L.
La densité de puissance en pointe, ou puissance spécifique, correspond à la puissance maximale rapportée à la masse de l'accumulateur (exprimée en watts par kilogramme, W/kg). De la même manière, on peut calculer la puissance rapportée au volume, moins usitée. Cette puissance spécifique est surtout fonction inverse de la résistance interne de l'accumulateur.
Vieillissement et usure Le vieillissement et l'usure entraînent une perte progressive de la capacité des batteries avec le temps (plusieurs années) et l'usage (plusieurs centaines ou milliers de cycles de charge et de décharge). Ils sont souvent fortement dépendant des conditions d'emploi (amplitude du cyclage, température de stockage et d'utilisation).
Forme physique
vignette|Différences entre accumulateurs et piles alcalines.