La Batterie Nickel-Cadmium : Fonctionnement et Composition
La batterie nickel-cadmium (Ni-Cd) est une forme de batterie secondaire utilisant l’hydroxyde de nickel Ni(O)(OH) comme cathode et le cadmium métallique comme anode. L’abréviation Ni-Cd provient des symboles chimiques du nickel (Ni) et du cadmium (Cd). Cette batterie se caractérise par une faible impédance interne, lui conférant une grande capacité de puissance, mais une capacité de stockage d’énergie inférieure à celle d’autres systèmes de batteries.
Elle offre une longue durée de vie et la possibilité d’une recharge rapide, mais peut être affectée par la dépression de tension ou l’effet mémoire, réduisant ainsi la tension de charge maximale et la capacité énergétique lors de décharges peu profondes et répétées. Le principal inconvénient de la batterie Ni-Cd réside dans son contenu en cadmium, un métal extrêmement toxique. Ainsi, elle ne représente pas une alternative moderne aux systèmes de batteries. Actuellement, les applications des batteries nickel-cadmium se trouvent dans les appareils portables de petite taille tels que les outils électriques, les jouets, l’éclairage d’urgence, l’instrumentation médicale ou les produits industriels portables.
Chimie et Conception de la Batterie Nickel-Cadmium
Une cellule Ni-Cd complètement chargée contient :
- Cathode : une plaque d’électrode positive en oxyde-hydroxyde de nickel(III)
- Anode : une plaque d’électrode négative en cadmium
- Séparateur
- Électrolyte : un électrolyte alcalin (hydroxyde de potassium)
Les batteries Ni-Cd sont généralement dotées d’un boîtier métallique avec une plaque d’étanchéité équipée d’une soupape de sécurité auto-obturante. Les plaques d’électrodes positives et négatives, isolées l’une de l’autre par le séparateur, sont enroulées en spirale à l’intérieur du boîtier, dans une conception connue sous le nom de « jelly-roll ». Cela permet à une cellule Ni-Cd de fournir un courant maximal bien plus élevé qu’une cellule alcaline de taille équivalente.
L’électrode positive dans l’état déchargé est composée d’hydroxyde de nickel, modifié pour répondre aux exigences de la batterie, et de graphite comme milieu conducteur. Le nickel oscille entre deux états d’oxydation lors de la charge et de la décharge. Lors de la charge, l’hydroxyde de nickel se transforme en oxyhydroxyde de nickel (NiOOH) selon la réaction :
2Ni(OH)2 + 2OH– → 2NiOOH + 2 H2O + 2e–
Lors de la décharge, les réactions à l’électrode d’oxyde de nickel sont :
2NiOOH + 2H2O + 2e– → 2Ni(OH)2 + 2OH–
L’électrode négative est constituée d’hydroxyde de cadmium, Cd(OH)2, qui est réduit en cadmium métallique lors de la charge. La réaction est inversée pendant le processus de décharge, modifiant l’état d’oxydation du cadmium de 0 à 2+, libérant deux électrons par atome de cadmium participant à la réaction. Voici la réaction pour l’anode pendant la charge :
Cd(OH)2 + 2e– → Cd + 2OH–
Les réactions chimiques à l’électrode de cadmium pendant la décharge sont :
Cd + 2OH– → Cd(OH)2 + 2e–
La réaction globale pendant la décharge est :
2NiOOH + Cd + 2H2O → 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2
En raison de la toxicité du cadmium, une série de réglementations et de directives sur sa manipulation ont été mises en place par les gouvernements du monde entier et l’UE. L’électrolyte, agissant comme transporteur de charge ionique dans les batteries, se compose principalement d’hydroxyde de potassium concentré, KOH, mais peut également contenir des additions d’hydroxyde de sodium, NaOH, et d’hydroxyde de lithium, LiOH.
