Accu : comment fonctionne cette composante omniprésente dans notre quotidien ?

Quel est le point commun entre une voiture Tesla, une tondeuse à gazon Bosch, un barrage hydraulique et une cigarette électronique ? Ils sont tous équipés d’un accumulateur électrique, ou « accu » pour les initiés. Ce dispositif, à tort confondu avec une batterie, est en réalité une cellule qui produit un courant électrique par réaction électrochimique à base d’ions de lithium. Dans le détail, comment ça marche, un accu ? Pour répondre à cette question, une petite introduction au courant électrique s’impose. C’est parti !

Courant électrique : de quoi parle-t-on ?

A tout seigneur tout honneur. Commençons par les basiques. De manière sommaire, le courant électrique fait référence au déplacement d’électricité dans un conducteur. En cours de physique, on nous apprend que le courant électrique est porté par la circulation d’électrons libres. Rappelons que les électrons gravitent autour du noyau de l’atome qui compte également des protons et des neutrons. Ces derniers, comme leur nom le laisse entendre, ne possèdent pas de charge électrique… tout le contraire des électrons (charge électrique négative) et des protons (charge électrique positive).

Il y a plusieurs manières de générer un courant électrique, mais c’est celle du champ magnétique qui est la plus courante. C’est d’ailleurs ce qui se passe dans nos prises électriques domestiques. Mais là où les choses deviennent plus intéressantes, c’est lorsque le courant électrique est généré de manière chimique, comme c’est le cas dans l’accu.

Lithium-Ion : un couple « électrique »

Ultra léger, le lithium est un métal alcalin classé premier sur le tableau périodique des éléments. Symbolisé par « Li », il est électriquement neutre : son noyau est composé de 3 protons et de 3 électrons en orbite, ce qui veut dire que l’atome a une charge électrique neutre. Or, il est possible qu’un atome perde un électron. Il dispose alors d’un proton de plus que le nombre total d’électrons. Dès lors, sa charge électrique devient positive, car il y a plus de protons que d’électrons. Il devient donc un ion, c’est-à-dire un atome avec une charge électrique.

Om est possible de soumettre l’atome du lithium à une charge électrique positive, ce qui a pour effet d’attirer un électron de la couche extérieure qui quitte alors son orbite. L’atome de lithium devient un donc un ion positif (ou cation), dont le symbole est « Li+ ».

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Qu’est-ce qu’un accu ?

Il s’agit tout simplement d’un dispositif composé de deux électrodes entre lesquelles circule le courant électrique. Cette enceinte composée d’une anode (pôle négatif) et d’une cathode (pôle positif) produit de l’électricité par une réaction chimique appelée « oxydoréduction ». Pour que cette dernière se fasse, la batterie doit disposer de deux électrodes qui agissent en matériau reliant. C’est ce qu’on appelle un électrolyte, un élément qui permet la circulation des ions lithium d’une électrode à l’autre.

Revenons un instant à l’oxydoréduction, ou redox. Le principe repose sur deux éléments : un oxydant qui « donne » un ou plusieurs électrons, et un réducteur qui les « reçoit ». En mode « décharge », cette réaction chimique permet la circulation du flux d’électrons entre l’anode et la cathode. En mode « charge », le flux est inversé. Lorsqu’il s’agit d’un accu pour cigarette électronique par exemple, l’anode est composée de graphite, tandis que la cathode est généralement composée de Lithium-Manganèse-Nickel-Cobalt-Oxygène (LiNiMnCoO2). 

Accu : principe de fonctionnement

Comment marche un accu ? Pour le comprendre, prenons l’exemple d’un accu chargé. Celui-ci a une anode en graphite sous forme cristalline qui stocke le lithium sous sa forme électrique neutre. D’un autre côté, la cathode a également une structure cristalline en couches, l’assemblage LiNiMnCoO2, qui a une charge globale positive. Celle-ci attire naturellement les électrons puis stocke les ions-Lithium. 

Que se passe-t-il lorsque vous mettez votre appareil équipé d’un accu en marche ? Concrètement, dès que vous le mettez en marche, une « barrière » se lève pour laisser circuler les électrons entre l’anode et la cathode. Nous l’avons vu, les électrons de lithium de l’anode ont tendance à aimer se promener… Ils vont donc rejoindre la charge positive de la cathode, ce qui permet d’alimenter votre appareil en courant électrique. En quittant leur structure cristalline de graphite, les atomes de lithium de l’anode se transforment alors en ions. Plus les électrons arrivent dans la cathode, plus elle devient négative. En revanche, la charge devient de plus en plus positive côté anode avec les ions-Lithium qui s’accumulent.

Nuançons cependant, car au fur et à mesure que la cathode devient négative, elle devient emplacement de choix pour l’accueil des ions positifs qui s’accumulent dans l’anode. Grâce à l’électrolyte qui se trouve entre les deux électrodes, les ions peuvent alors rejoindre la cathode. Vous l’aurez donc compris, c’est la circulation des électrons et la migration des ions Lithium de l’anode à la cathode qui crée le courant électrique.

Accu, des précautions s’imposent !

Un accu ion-Lithium nécessite certaines précautions d’usage pour votre sécurité, mais aussi pour prolonger sa durée de vie. Attention tout d’abord à la décharge profonde. Il faut savoir que l’accu ne doit pas arriver au seuil de 3 V, le risque étant que la cathode accumule un trop-plein d’ions-Lithium, ce qui mène à la formation d’oxyde de lithium et d’oxyde de cobalt. Ce faisant, l’accu perd irrémédiablement de sa capacité. La bonne nouvelle est que les appareils récents gèrent le seuil de décharge automatiquement en signalant que l’accu est déchargé dès qu’il présente de 3,4 V à 3,2 V à ses bornes.

Il faut par ailleurs faire attention au court-circuit franc, responsable de la surchauffe de l’accu. Pour éviter les courts-circuits, il est également très important que la cellule soit protégée par une feuille d’isolant qui ne laisse apparaître que l’opposé au pôle positif. Rappelons qu’un accu Lithium-ion est en forme de tube, avec un pôle positif au niveau de la petite capsule avec le cerclage blanc tout autour. Le reste de l’accu représente le pôle positif. En cas de défaut de protection de la cellule mettant l’accu à nu, il y a de fortes chances que le dispositif entre en court-circuit. Si vous remarquez que la feuille de protection du tube est déchirée, il n’est pas forcément nécessaire de changer d’accu. En effet, il est tout à fait possible de reconstituer la protection en appliquant un « wrap » que vous pouvez trouver dans le commerce.

Enfin, eu égard à la charge, il est très important de toujours utiliser un chargeur adapté à votre accu. Il faut faire attention, car une tension de plus de 4,2 V entraîne irrémédiablement une surchauffe de l’accu avec tous les risques que cela implique pour la sécurité de l’utilisateur.

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Accu, quelles applications ?

Evolution ultime de la pile rechargeable, les accus équipent aujourd’hui de nombreux appareils auditifs. Faciles à utiliser et écologiques, car réutilisables, les accus ont par ailleurs l’avantage d’être rapidement rentabilisés grâce leur durée de vie supérieure à celle des piles auditives rechargeables. On retrouve également les accus dans les lampes de poche et dans certains accessoires automobiles qui restent alimentés par accu lorsque le moteur et à l’arrêt.

Plus récemment, l’accu est venu équiper certains modèles de chez Tesla. La marque d’Elon Musk commercialise également une batterie à conversion réversible d’énergie électrique, appelée « PowerWall », depuis 2015. Certains vélos à assistance électrique embarquent également des accus. Une version poussée de l’accu, appelée « super-condensateur », équipe les autobus qui font des arrêts fréquents.