Les accumulateurs alcalins Fer-Nickel et Cadmium-Nickel

Les accumulateurs alcalins proposés par Daniens en 1893, puis améliorés par Edison vers 1910 se composent :

- d'un électrolyte qui est une solution aqueuse de potasse, dont la concentration est ajustée autour du maximum de conductivité (23 à 28° Baumé⁽¹⁾) ;
- de matières actives qui sont l'hydrate de nickel à l'anode, et soit le fer soit un mélange Cadmium et Fer à la cathode ;
- d'électrodes inattaquables en acier nickelé ;
- d'un récipient en acier nickelé.

Principe :

L'électrolyse d'une solution aqueuse de potasse au moyen d'électrodes inattaquables conduit au dégagement d'oxygène sur l'anode et d'hydrogène sur la cathode.
Les matières actives de l'accumulateur absorbent ces gaz selon les réactions chimiques suivantes :
- au pôle positif, l'hydrate de Nickel Ni(OH)2 se combine à l'eau et à l'oxygène pour former du perhydrate de nickel NI(OH)3 ;
- au pôle négatif, les hydrates de cadmium et fer Cd(OH)2 ou Fe(OH)2 se combine à l'hydrogène pour former des métaux Fe et Cd, et de l'eau.

La force électromotrice, donc la tension nominale de chaque élément d'accumulateur, est directement liée aux éléments de la cathode.
Les éléments au Fer donnent U = 1,5V et ceux au cadmium donnent U = 1,45V.
Les caractéristiques très voisines des deux métaux favorisent la création d'électrodes négatives en alliage.
Constitution des éléments :

Préparation des matières actives :
L'hydrate de nickel NI(OH)2 du pôle positif se prépare simplement par double décomposition entre le sulfate de nickel et la soude.
L'hydrate qui précipite est séché. Il ne peut être utilisé seul car il ne conduit pas l'électricité ; il convient donc de le mélanger à un élément conducteur.

La solution la plus ancienne consiste à préparer un mélange d'hydrate de nickel et de graphite en paillettes, dont le rôle est de conduire le courant au travers de toute la masse de l'hydrate.
L'inconvénient de cette technique tenait dans l'altération du graphite par l'oxygène pour produire du gaz carbonique. Ce gaz se combinant avec l'électrolyte alcalin pour former du carbonate de potasse.
La carbonatation de l'électrolyte diminuant la charge, un renouvellement tous les deux à trois ans était nécessaire.

La solution ultérieure fut de remplacer le graphite par des paillettes de nickel produites par électrolyse.

Le Fer de la cathode est utilisé sous forme de poudre. Des déchets de fers sont dissous à l'acide sulfurique.
Le sulfate de fer produit est séché puis grillé dans un four afin d'obtenir de l'oxyde rouge Fe2O3 qui est ensuite réduit par l'hydrogène.
Afin de favoriser la conductivité, des oxydes de mercure sont ajoutés à la poudre de fer. Lors de la charge, l'oxyde de mercure est réduit en mercure métallique formant un réseau conducteur au cœur de la matière active.

Les mélanges au cadmium sont obtenus par électrolyse de solutions de Fer et Cadmium selon les proportions désirées.

L'électrolyte enfin est obtenu par simple dissolution de potasse dans l'eau.


Assemblage des plaques :

Les variations de conception des accumulateurs reposent sur les mêmes principes.
La matière active est contenue dans des pochettes assurant le maintient et la conductivité électrique.
Elles sont faites de parois minces finement ajourées en fer nickelé.
Des supports métalliques maintiennent les pochettes pour former les plaques.
L'espacement nécessaire est maintenu par de l'isolant genre ébonite en baguettes.

Les supports métalliques sont reliés mécaniquement par tiges d'acier et entretoises pour obtenir la tension et la capacité finale de l'accumulateur.

L'assemblage est ensuite scellé dans un récipient de fer nickelé renforcé et isolé intérieurement.


Les anodes à flocons de nickel nécessitent la conception d'électrodes tubulaires remplaçant les pochettes.
Un feuillard de nickel est roulé en hélice et serti pour former un tube sans fin d'un diamètre de 8mm environ.
Les tubes sont recoupés en longueur de 100mm et remplis de 250 strates successives de flocons de nickel alternant avec l'hydrate de nickel.
Le contact électrique entre matière active et enveloppe est ainsi bien assuré par les paillettes de nickel.
Une série de tubes est ensuite sertie sur un cadre métallique pour constituer une plaque positive.


Applications :

Il convient d'utiliser les accumulateurs de technologie différente en fonction du mode d'emploi de la charge.
Lorsque l'accumulateur doit travailler à basse température et conserver longtemps sa charge, il faut choisir l'élément au Cadmium.
Lorsque le travail est cyclique, avec une charge suivie de près par la décharge, il faut choisir l'élément au Fer, avec anode tubulaire.
Pour le démarrage des moteurs, une forte intensité de pointe avec maintien d'une tension maximale nécessite l'emploi d'accumulateur avec des plaques de grande surface.
Les accumulateurs au Cadmium-Nickel furent donc préconisés pour le démarrage des moteurs Diesel industriels, avec une durée de vie de la capacité de charge plus importante que les accumulateurs au plomb.

Evolutions des accumulateurs alcalins, les "alcablocs" :

Les améliorations des accumulateurs alcalins ont permis de réduire la résistance interne des premiers modèles, et ainsi de permettre le débit de courants plus importants.

La conception même des plaques à pochettes rendait impossible une diminution notable de la résistance interne, car on ne pouvait réduire encore l'épaisseur des plaques ni augmenter leur nombre sous peine d'augmenter un encombrement déjà important.

Dès 1945, les recherches entreprises ont débouché sur une nouvelle technique de fabrication des plaques : le frittage.

Voici en quoi consiste le principe des plaques frittées ; sur un cadre d'acier supportant un grillage en acier, on fritte une couche métallique dans des conditions telles que l'on obtienne à la fois une dureté élevée et une très grande porosité.
Comme pour la fabrication de toute pièce frittée, on comprime un mélange pulvérulent métallique dans un moule à une température un peu inférieure au point de fusion du métal. Un réseau de jonctions cristallines se forme entre les grains en conservant une grande partie de la porosité de la poudre.
Ensuite ces plaques frittées qui demeurent électrochimiquement neutres dans le fonctionnement ultérieur de l'accumulateur, sont imprégnées de matière active par procédé électrolytique.

Les propriétés des plaques frittées assurent une robustesse importante aux vibrations, aux chocs et assurent un maintien des matières actives qui adhérent parfaitement.
Les accumulateurs résistent donc mieux aux tortures industrielles de vibrations et d'échauffement par décharge violente et court-circuit.
Cette faculté concourt également à améliorer la résistance aux modes de charge inadaptés et aux surcharges. Les alcablocs peuvent donc remplacer les batteries au plomb sans modification du système de charge.
En effet une surcharge prolongée ne produit aucun effet sur les électrodes, mais favorise la décomposition de l'électrolyte en oxygène et hydrogène, ce qui diminue la réserve d'électrolyte au dessus des plaques.

L'avantage fondamental est une réduction de la résistance interne, favorisant l'emploi en batterie de démarrage.
Les pores des supports frittés fournissent une surface considérable, absolument hors de proportion avec la surface de la plaque ; la surface réelle des matières est approximativement mille fois plus grande que pour les anciennes plaques à pochettes.
Les contacts électriques sont également meilleurs entre réseau conducteur et matière active, ce qui profite aux décharges rapides.

L'avènement des matières plastiques à en outre permis de faciliter les méthodes de montage et d'entretien des accumulateurs, tout en garantissant isolement électrique et fiabilité.
C'est la présentation en module indépendants dans des bacs de tôle d'acier nickelé qui donne à cette évolution le nom "d'alcablocs".


A suivre : Constitution des Accumulateurs au Plomb Antimoine
Images : AutoVolt n°728, n°757 et n°766, publications E.T.A.I, Boulogne, Issn 0005-0881 ;


⁽¹⁾ Le degré Baumé permet d'indiquer la valeur d'une concentration par la densité relative d par rapport à l'eau.
Dans le cas d'un acide, liquide plus lourd que l'eau, la formule est d = 145 / (145 - °B).
Pour exprimer le pourcentage P de liquide de densité D dans l'eau (D = 1) il faut appliquer une règle de 3 telle que P = d x 100 / D