Qu’est-ce qu’une pile nickel-cadmium ?
Une pile nickel-cadmium est un type de pile rechargeable qui utilise de l’hydroxyde de cadmium pour l’anode et de l’hydroxyde de nickel pour la cathode.
Avec une histoire longue de plus d’un siècle, ces piles ont été utilisées dans une variété de situations, profitant de leurs avantages tels que la capacité de décharger de grands courants et de résister à une utilisation répétée.
Ces dernières années, l’utilisation des piles lithium-ion, qui n’utilisent pas de cadmium et présentent d’excellentes performances, s’est imposée en raison de l’utilisation du cadmium, nocif pour le corps humain, et de l’effet mémoire des piles. L’utilisation des piles nickel-cadmium est en déclin.
Utilisations des piles nickel-cadmium
Les piles nickel-cadmium ont été utilisées pour entraîner les moteurs d’outils rechargeables et d’aspirateurs, ainsi que comme sources d’énergie de secours. Elles tirent parti de leur résistance à la surcharge et à la décharge et de leur capacité à décharger des courants importants.
Il existe deux types de piles nickel-cadmium : le type fritté, qui a une forte capacité de décharge pour entraîner des moteurs, et le type moussé, qui a une capacité relativement élevée. Elles étaient considérées comme adaptées à une utilisation en tant que sources d’énergie, mais ne sont plus utilisées que dans des cas limités. Comme source d’énergie, elles sont inférieures aux piles nickel-métal hydrure et aux piles lithium-ion.
Elles ont également été utilisées dans le passé comme piles sèches rechargeables. Cependant, comme elles ont un effet mémoire prononcé et ne se prêtent pas à la recharge, les piles à hydrure métallique de nickel sont aujourd’hui le pilier des piles rechargeables.
Principe des piles nickel-cadmium
Une pile nickel-cadmium se compose d’électrodes et d’une solution d’hydroxyde de potassium comme séparateur, électrolyte, et possède une force électromotrice nominale de 1,2 V.
Lorsqu’une pile nickel-cadmium se décharge, de l’hydroxyde de cadmium se forme par réaction de l’eau avec le cadmium métallique à l’anode en présence d’ions hydroxyde, au cours de laquelle des ions hydrogène et des électrons sont libérés. En revanche, du côté de l’électrode positive, l’oxyhydroxyde de nickel reçoit des ions hydrogène et des électrons en présence d’eau, produisant de l’hydroxyde de nickel.
Lors de la charge, la réaction inverse de celle de la décharge se produit : à l’anode, l’hydroxyde de cadmium reçoit des électrons et est réduit en cadmium, tandis que du côté de la cathode, l’hydroxyde de cadmium devient de l’oxyhydroxyde de nickel en présence d’ions hydroxyde, libérant de l’eau et des électrons.
L’électrolyte et les électrodes ont une faible résistance interne en raison de leurs propriétés, ce qui les rend aptes à une décharge à courant élevé, et même en cas de décharge excessive, les performances peuvent être rétablies par des charges et décharges répétées. Elles sont également capables de maintenir une tension qui peut résister à une utilisation dans des environnements à basse température de -20 à -40°C.
Structure des piles nickel-cadmium
Les piles nickel-cadmium sont disponibles sous forme cylindrique et carrée, le type cylindrique étant expliqué plus en détail.
Le type cylindrique se compose d’un composé de nickel comme électrode positive, d’un séparateur composé d’hydroxyde de potassium et de non-fibres, et d’une plaque de composé de cadmium comme électrode négative. Ils sont empilés et enroulés en spirale, et insérés dans une boîte extérieure. Les électrodes négative et positive entrent en contact avec les bornes négative et positive respectivement, ou par l’intermédiaire de fils collecteurs de courant, pour produire de l’électricité vers l’extérieur. Dans le cas des piles carrées, la structure consiste en plusieurs plaques d’électrodes positives et négatives se faisant face par l’intermédiaire de séparateurs.
Les piles nickel-cadmium actuelles ont une structure dite scellée. Lorsque les piles nickel-cadmium ont été inventées, elles étaient de type ouvert. Toutefois, le type scellé élimine la nécessité de consommer de l’eau et la solution de réapprovisionnement associée en raison de la décomposition de l’électrolyte en cas de surcharge. De plus, les piles nickel-cadmium sont conçues de manière à ce que la capacité de l’électrode négative soit supérieure à celle de l’électrode positive. Aussi, même si la cathode est complètement chargée, une partie déchargée reste dans l’anode et absorbe l’oxygène. Elle empêche ainsi la génération d’hydrogène dans l’anode. Par conséquent, la batterie ne risque pas d’éclater en raison de l’augmentation de la pression interne et de la consommation d’électrolyte. Enfin, les piles nickel-cadmium sont dotées d’une soupape permettant d’évacuer le gaz en cas d’augmentation de la pression interne.