Batterie au plomb

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Batterie au plomb
Batterie au plomb
Caractéristiques
20-40 Wh/Kg
Énergie/Poids
40-100 Wh/L
Énergie/Volume
Rendement charge-décharge 50 %
Énergie/Prix public
5%
Auto-décharge
min. 4 à 5 ans
Durée de vie
Nombre de cycles de charge 500 a 1200
Tension nominale par élément 2.1 V
Une batterie au plomb est un ensemble
d'accumulateurs au plomb-acide raccordés en
série et réunis dans un même boîtier.
Ce système de stockage d'électricité est
largement utilisé dans l'industrie ainsi que
dans l'équipement des véhicules automobiles.
Sommaire
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1 Historique
2 Caractéristiques techniques
3 Performances
4 Utilisation
5 Charge
6 Causes de dégradation
o 6.1 La sulfatation
6.1.1 Désulfatation
o 6.2 La décharge complète
o 6.3 Cyclage
o 6.4 Oxydation des électrodes
o 6.5 Oxydation des bornes
7 Voir aussi
8 Notes
Historique
L'accumulateur au plomb a été inventé en 1859 par le français Gaston Planté. Il a été en effet
le premier à avoir mis au point la première batterie rechargeable. À l'origine, les
accumulateurs étaient situés dans des cuves en verre. Par la suite, on a systématisé l'emploi
des cuves en plastique.
De nos jours, les batteries sans entretien se généralisent : cosses traitées anti-sulfatage,
plaques au plomb-calcium, supprimant le besoin de refaire le niveau de liquide, et donc
permettant le scellement.
Caractéristiques techniques [
Une batterie au plomb se caractérise essentiellement par :
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La tension nominale qui dépend du nombre d'éléments, la tension nominale U est
égale au nombre d'éléments multiplié par 2,1 V. Généralement on considère qu'un
accumulateur au plomb est déchargé lorsqu'il atteint la tension de 1.8 V[réf. nécessaire] par
élément, donc une batterie de 6 éléments ou 12 V est déchargée, lorsqu'elle atteint la
tension de 10.8 V).
La capacité de stockage, notée Q, représente la quantité d'énergie disponible (ne pas
confondre avec la capacité électrique). Elle s'exprime en ampère-heure.
Le courant maximal qu'elle peut fournir pendant quelques instants, ou courant de
crête en ampères CCA.
Les valeurs maximales sont données par le constructeur pour une batterie neuve et chargée à
100%, elles varient sensiblement en fonction de l'état de charge, se dégradent en fonction du
temps ainsi que de l'usage qui est fait de la batterie.
•
Les réactions électrochimiques aux électrodes sont les suivantes :
Anode (oxydation):
Cathode (réduction):
Performances [
La batterie au plomb est celle qui a la plus mauvaise énergie massique 35 Wh/kg, après la
batterie Nickel-Fer. Mais comme elle est capable de fournir un courant de grande intensité,
utile pour le démarrage électrique des moteurs à combustion interne, elle est encore très
utilisée en particulier dans les véhicules automobiles.
Utilisation [
Cette batterie sert à alimenter les composants électriques des véhicules à moteur à explosion,
particulièrement le démarreur électrique, alimentée par une dynamo ou un alternateur.
Historiquement, les batteries de voitures ou de motocyclettes faisaient le plus souvent 6 volts
(3 éléments). À l'époque moderne, les batteries à 12 volts (6 éléments) sont généralisées sur
les voitures et motocyclettes, alors que les véhicules lourds ou militaires utilisent le 24 volts.
Les batteries au plomb servent aussi à alimenter toutes sortes d'engins électriques. Les
voitures électriques ne se sont toujours pas imposées du fait du mauvais rapport masse/énergie
des batteries, bien que le rendement d'un moteur électrique soit exceptionnel.
Ces batteries peuvent servir à stocker de l'énergie produite par intermittence, comme l'énergie
solaire ou éolienne.
Charge [
On charge une batterie au plomb en lui appliquant un courant continu d'une valeur quelconque
(sous réserve de limites technologiques liées à la batterie elle-même ou à ses connexions),
pourvu qu'elle n'entraîne pas aux bornes de la batterie l'apparition d'une tension supérieure à
2,35-2,40 V/élément (valeur à 25°C)[réf. nécessaire].
L'application de cette règle conduit à constater dans la pratique deux phases de charge
successives :
•
•
1/ La phase dite CC (Constant Current ou Courant Constant) au cours de laquelle la
tension par élément est inférieure à 2,35 V malgré l'application du courant maximum
dont est capable le chargeur : le courant est déterminé par le chargeur, et la tension par
la batterie. La tension aux bornes de chaque élément augmente au fur et à mesure que
la batterie se recharge.
2/ La phase dite CV (Constant Voltage ou TC Tension Constante), dite aussi « phase
d'absorption » commence dès que la tension par élément atteint la valeur de 2,35
V/élément puisque l'application de la consigne ci-dessus conduit le chargeur (son
système asservi le transformant en un générateur de tension) à ajuster le courant de
telle sorte que la tension reste égale à 2,35 V/élément alors que la batterie continue de
se charger. Le courant au cours de cette phase est donc une fonction décroissante du
temps. Il tend théoriquement vers 0 asymptotiquement.
En fin de charge le courant en phase CV ne s'annule pas. Il se stabilise à une valeur faible
mais non nulle qui n'accroît plus l'état de charge mais électrolyse l'eau de l'électrolyte. On
préconise donc d'interrompre la charge, ou, si l'on veut appliquer une charge permanente (dite
d'entretien ou de "floating", afin de compenser le phénomène d'autodécharge), de baisser la
tension de consigne à une valeur de l'ordre de 2,3 V/élément.
La charge CC/CV s'est généralisée car elle seule permet de charger à fort courant (donc
rapidement) sans endommager la batterie. Ce mode de charge est utilisé dans toutes nos
automobiles : en phase CC, le courant de charge dépend essentiellement de la vitesse de
rotation de l'alternateur (et donc du moteur). En phase CV, la tension de consigne est
maintenue par l'asservissement que constitue le régulateur de tension. Celui-ci diminue en
effet le courant d'excitation de l'alternateur, de façon à ce que le courant de sortie de
l'alternateur n'ait jamais pour résultat une tension supérieure à 2,35 V/élément (avec une
légère correction en fonction de la température).
Lorsque dans le cas des chargeurs bon marché, on ne dispose pas d'un chargeur capable de
limiter sa tension à la valeur de consigne correspondant à 2,35 V/élément, on recommande de
limiter le courant de charge à par exemple 10% de la capacité de la batterie afin de minimiser
les conséquences dommageables du dépassement de tension qui risque de se produire en fin
de charge.
Causes de dégradation
Les principales causes de dégradation des batteries sont :
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la sulfatation
la décharge complète
le cyclage
l'oxydation des électrodes
l'oxydation des bornes
La sulfatation
La sulfatation représente l'accumulation de sulfate de plomb sur les électrodes. Ce phénomène
apparait naturellement à chaque décharge de la batterie, et disparait lors d'une recharge.
Cependant sous certaines conditions (décharge prolongée ou trop profonde, température
importante, gazéification de l'électrolyte), des ilots stables de sulfate de plomb apparaissent et
ne sont plus dissous lors de la charge. Le sulfate de plomb ainsi généré diminue la capacité de
la batterie en empêchant les réactions sur l'électrode et de par sa faible conductivité électrique.
Le processus de sulfatation est interrompu dès que la batterie est remise en charge.
Exemple : Une batterie sulfatée de 1000 CCA à l'état neuf, mais contrôlée à 12 V et avec une
puissance de 500 CCA, reprendra après recharge une tension supérieure ou égale à 12,6 V
mais la puissance mesurée de 500 CCA évoluera peu.
Une batterie dans cet état ne permettra pas plusieurs démarrages consécutifs d'un véhicule
automobile et pourra provoquer, par exemple, une panne immobilisante dès les premiers
froids. De manière générale, si le véhicule n'est pas utilisé pendant une longue période, il faut
recharger sa batterie régulièrement pour la faire durer.
Désulfatation
Il existe un moyen d'inverser le processus de sulfatation d'une batterie. Cela consiste en
l'envoi d'impulsions électriques à la fréquence de résonance de la batterie (entre 2 et 6 MHz).
Durant ce processus, les ions de soufre entrent en collision avec les plaques, ce qui a pour
effet de dissoudre le sulfate de plomb qui les recouvre.
La décharge complète
Pour un véhicule automobile, la décharge complète de la batterie intervient généralement par
une faible consommation pendant une durée prolongée (exemple : plafonniers) ou par une
consommation importante (ex feux de croisement, ventilation), moteur à l'arrêt. La tension est
alors très faible aux bornes de la batterie, inférieure à 10 volts pour une batterie dont la
tension nominale est de 12 V.
Une batterie de démarrage se décharge également toute seule dans le temps. Elle risque donc
d'atteindre sa décharge complète si elle n'est pas rechargée régulièrement. Pour cette raison, il
existe les « chargeurs d'entretien » de batteries.
Les batteries en état de décharge complète doivent être rechargées dans un délai maximum de
48 heures : au-delà, les dommages sont irréversibles (sauf par désulfatation).
Cyclage
Les constructeurs de batteries indiquent leur durée de vie sous la forme d'un nombre de cycles
normalisés de décharge/recharge.
À l'issue d'un certain temps de fonctionnement dépendant du nombre et de l'amplitude des
cycles, la batterie est usée : l'électrolyte présente un aspect noirâtre.
Exemple : l'utilisation répétée d'un hayon élévateur moteur à l'arrêt accélère l'usure de la
batterie par cyclage.
Oxydation des électrodes
L'oxydation est une cause de dysfonctionnement des batteries. Lorsque le niveau d'électrolyte
est trop bas, les plaques entrent au contact de l'air et s'oxydent. La puissance au démarrage est
amputée, même si le niveau d'électrolyte est complété. Le manque d'électrolyte peut venir
d'une utilisation intensive (exemple : équipements auxiliaires, etc), d'une température
extérieure importante (supérieure ou égale à 30 °C) ou d'une tension de charge trop élevée.
Oxydation des bornes
Il arrive qu'une batterie dont les cosses ne sont pas assez serrées, ou qui ne sert que très peu,
voie ses bornes s'oxyder, ce qui empêchera le courant de passer et donc, à terme, une
décharge complète.
Batterie d'accumulateurs
Une batterie d'accumulateurs ou généralement une batterie,
est un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de
façon à créer un générateur de courant continu de la capacité et
de la tension désirée.
Ces accumulateurs même s'ils sont seuls sont parfois appelés
éléments de la batterie.
On appelle ainsi batteries les accumulateurs rechargeables destinées aux appareils électriques
et électroniques domestiques.
Caractéristiques des différents types d'accumulateurs
Évolution des batteries
Sommaire
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1 Caractéristiques des différents types d'accumulateurs
2 Évolution des batteries
3 Utilisation
4 Charge des batteries
o 4.1 Indicateurs de charge
o 4.2 Précautions de mise en charge
o 4.3 Évolutions possibles
• 5 Notes
Les batteries nécessaires aux
• 6 Voir aussi
voitures électriques mais
o 6.1 Liens externes
également aux voitures
hybrides ont suivi une
évolution technologique continue et les progrès sont importants, malheureusement
actuellement, aucune solution n'est entièrement satisfaisante. Certaines de ces batteries sont
d'un usage commun avec d'autres secteurs comme l'éolien ou le solaire.
Les recherches et découvertes en cours sont très prometteuses, au point que certains fabricants
de batteries promettent une autonomie des voitures électriques de 800 km pour très bientôt [1].
Alors que les batteries au plomb ont une capacité de 30 Wh par kg, d'autres types se sont
développés [2] :
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nickel - cadmium (Ni - Cd) 50 Wh par kg
nickel - zinc (Ni - Zn) 80 Wh par kg
1re filière lithium (Ni - MH) 75 Wh par kg
plomb 2e génération (2006) 75 Wh par kg [1] [archive]
système zébra : sodium - chlorure de nickel 85 Wh par kg
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1re filière lithium - ion de 1992 (Li - Ion) 90 Wh par kg
sodium - soufre (Na - S) 107 Wh par kg
Lithium Métal Polymère de 2004 (LMP) 110 Wh par kg
lithium polymère (Li - Po) 120 Wh par kg
lithium - ion 2e génération (2000) 150 Wh par kg
zinc - argent (2007) 200 Wh par kg [2] [archive]
manganèse - lithium - ion ; également dénommées lithium - manganèse (2007) 300
Wh par kg [3] [archive]
lithium - soufre de 2007 (Li - S) 300 Wh par kg
lithium - vanadium + de 300 Wh par kg (mais combien exactement ?) présentée par
Subaru en 2007 : [4] [archive]
Et pour bientôt :
•
•
Supercondensateur à la poudre de céramique - aluminium (EEStor aux États-Unis) ( [3]
et [4] ) : Elles devraient être utilisées dans un premier temps pour les voitures
électriques, puis plus tard pour le stockage d'énergie appliqué à l'éolien et au solaire.
Condensateurs - lithium - ion (FHI) : en essai au Japon.
Utilisation
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Les accessoires des véhicules routiers sont alimentés en électricité par des batteries
d'accumulateurs, en général au plomb.
o La tension de cette batterie est couramment de 12 Volts sur les automobiles (42
volts pour la prochaine génération de véhicules), 6 Volts sur certains anciens
modèles encore en circulation ;
o De 24 Volts pour les poids lourds.
Les batteries sont utilisées dans de nombreux appareils électroniques autonomes
comme par exemple les téléphones mobiles, les baladeurs numériques, etc.
Pour la traction des véhicules électriques, des batteries souvent de technologies autres
que le plomb et d'une tension supérieure sont utilisées, afin de limiter les courants en
jeu.
Les batteries solaires sont des batteries orientées pour un fonctionnement avec des
panneaux photovoltaïques : durée de vie, propriétés électriques et anticorrosion,
entretien[5]
Charge des batteries
Indicateurs de charge
La mise en charge des batteries est une opération primordiale pour que les batteries
conservent leurs caractéristiques initiales.
On peut évaluer dans certains cas le niveau de charge d'une batterie en mesurant sa tension à
vide (sans charge). Par exemple pour une batterie au plomb :
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Une batterie bien chargée a une tension supérieure à 12,6 V.
Une batterie sous 12,4 V peut être mise en charge.
Une batterie à 11,7 V est totalement déchargée ou en mauvais état.
Dans le cas de technologies plus récentes, comme le NiMh ou le Lithium, des méthodes plus
élaborées sont nécessaires pour vérifier le niveau de charge. Pour ces technologies les
chargeurs évaluent le taux de charge en surveillant l'évolution de la tension de charge et en
prenant en compte le courant de charge et le temps, (
ou
).
Précautions de mise en charge
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La charge de batteries en parallèle est déconseillée, car chaque batterie est spécifique
et va évoluer différemment suivant son état de charge initial, son âge, ses
caractéristiques intrinsèques. Il est donc important qu'une batterie en charge soit reliée
uniquement à une source de courant.
La charge en série doit être effectuée uniquement sur des batteries de mêmes
caractéristiques et dans un état de charge identique.
De manière générale, la charge des batteries de façon unitaire doit être privilégiée.
La durée de charge peut être approximativement calculée en fonction du courant de
charge et de la capacité de la batterie : pour une batterie neuve totalement déchargée :
Capacité (en A.h) = Courant de charge (en A) x Temps de charge (en h).
Le rendement de charge (énergie stockée / énergie injectée pour la charge de la
batterie) est inférieur à 1, en particulier en raison de la résistance interne à la batterie ;
ce rendement dépend de l'intensité de courant utilisée pour la charge, il décroît quand
l'intensité croît.
Évolutions possibles
Une innovation américaine du MIT (2007), la witricity, si elle était industrialisée, permettrait
de recharger les batteries sans fils et donc de les recharger à distance (quelques mètres
uniquement) sans avoir à établir une connexion physique à une prise électrique[6]. Le
rendement plutôt faible de cette technologie en fait cependant un gadget de confort dont on
pourrait se passer si l'on suit la logique des économies d'énergie.
Accumulateur électrique
Un accumulateur électrique est un dispositif destiné à stocker l'énergie électrique et à la
restituer ultérieurement.
On distingue :
1. Les accumulateurs d'énergie convertissant l'énergie électrique dans une autre forme
afin de la stocker (par exemple en Énergie cinétique) et, qui sont capable de la
restituer ultérieurement. Voir : stockage d'énergie.
2. Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'électrostatique :
bouteille de Leyde, condensateurs.
3. Les accumulateurs électriques fonctionnant selon les principes de l'électrodynamique :
circuit bobiné
4. Les accumulateurs électrochimiques, fonctionnant grâce aux réactions
électrochimiques de leurs électrodes, qui assurent la conversion de l'énergie chimique
en énergie électrique.
5. Les piles qui ne sont pas des accumulateurs électrochimiques, car elles ne sont pas
rechargeables. Piles et accumulateurs électrochimiques sont des générateurs
électrochimiques. Les piles fournissent la quantité d'électricité prévue à leur
fabrication (aucune charge, ni préparation n'est nécessaire avant utilisation).
Principe des accumulateurs électrochimiques
Sommaire
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•
1 Généralités
2 Caractéristiques générales des accumulateurs électrochimiques
o 2.1 Tension électrique
o 2.2 Charge électrique
o 2.3 Énergie stockée
o 2.4 Débit maximum
o 2.5 Impédance interne
o 2.6 Charge maximale
o 2.7 Densité
o 2.8 Vieillissement et usure
o 2.9 Forme physique
3 Différentes technologies
o 3.1 Plomb-acide
3.2 Ni-Cd (Nickel-cadmium)
3.3 Ni-MH (Nickel-métal hydrure)
3.4 Ni-Zn (Nickel-zinc)
3.5 Lithium
3.6 Pile alcaline
3.7 Alcaline rechargeable
3.8 Brome
4 Tableau comparatif des différentes technologies [2],[3]
5 Voir aussi
o 5.1 Notes et références
o 5.2 Articles connexes
o
o
o
o
o
o
o
•
•
Généralités [modifier]
La Jamais Contente, électrique, première automobile capable d'atteindre les 100km/heure
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 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 Wh stocké 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 par effet Joule dans le
circuit ; un stockage de longue durée nécessite ainsi l'utilisation de matériaux
supraconducteurs. Les dispositifs ainsi réalisés 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.
o 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 en électrotechnique principalement le dispositif électrochimique.
Caractéristiques générales des accumulateurs
électrochimiques
Tension électrique
La tension ou potentiel (en volt) est un paramètre important. Fixée par le potentiel d'oxydoréduction du couple redox utilisé, elle est de l'ordre de quelques volts pour un élément.
Comme en pratique des tensions plus élevées, typiquement 12, 24 voire 48 V et plus sont
requises, il suffit pour augmenter la tension de raccorder des éléments du même type en série
au sein d'une batterie d'accumulateurs. C'est sans aucun doute l'origine du terme « batterie »
comme synonyme courant d'« accumulateur » et, en anglais, de « pile » ; toutefois certains
évoquent une autre source étymologique possible : l'effet de choc d'un courant électrique,
comme si l'appareil électrique « battait » celui qui reçoit la décharge.
Charge électrique
La charge électrique (une quantité d'électrons, parfois appelée à tort dans le langage courant
capacité électrique) est généralement indiquée en (m)Ah ((milli)Ampère(s) pendant une
heure) par le constructeur. Elle se mesure dans la pratique en multipliant un courant constant
par le temps de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure), mais
l'unité officielle de charge (SI) est le coulomb équivalent à un As (Ampère pendant une
seconde): 1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C ; 1 C = 1 Ah/3 600 = 0,278 mAh. Elle n'est
comparable que pour des valeurs de tension égales. Plus significative est donc :
Énergie stockée
L'énergie stockée se mesure usuellement en Wh (watt-heure) mais l'unité officielle (SI) est le
joule.
1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,279 mWh. le rapport entre les deux est la tension (à
supposer qu'elle soit stable) par la formule 1 Wh <-> 1 Ah x 1 V <-> 1 A x 1 h x 1 V
(valable uniquement en courant continu). En pratique inutile car la tension est variable
(elle diminue proportionnellement à la charge), il faut juste retenir qu'une valeur Ah
n'est pas comparable d'un voltage nominal à l'autre.
Débit maximum
Le débit maximum, ou puissance en pointe, d'un accumulateur se mesure en ampère, ou
encore en Watt (1 W = 1 A x 1 V). il est largement supérieur au débit d'utilisation courante et
ne peut être maintenu sans risques.
Impédance interne
L’impédance interne, exprimée en Ohm, impédance parasite qui limite le courant de décharge,
ainsi que la fréquence de ce courant, en transformant en chaleur par effet joule une partie de
l'énergie restituée. En pratique, on assimile souvent l'impédance à la seule résistance pure.
Charge maximale
La charge maximale supportable est mesurée en puissance instantanée de charge, donc en
ampère, mais est souvent exprimée en unité de charge, c'est-à-dire rapportée 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 0,5 C correspondant à 0,5 A pour une capacité de 1 Ah ou à 1 A pour une capacité
de 2Ah, et dans les 2 cas à une charge de 2 heures. Cette grandeur est également le débit
maximum que peut délivrer la batterie de manière stable (souvent inférieur au débit de
pointe).
Densité
La densité massique, ou énergie spécifique, est une des caractéristiques importantes d'un
accumulateur, elle correspond à la quantité d'électricité (Ah/kg) ou d'énergie (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, elle correspond à la quantité d'électricité (Ah/m³) ou d'énergie (Wh/m³) qu'il peut
restituer par rapport à son volume. On utilise plus couramment les Wh/dm3 soit Wh/l.
La densité de puissance en pointe, ou puissance spécifique correspond au débit ou à la
puissance maximale rapportée à la masse de l'accumulateur, et s'exprime en ampère ou en
watt par kilogramme (A/kg ou W/kg). De la même manière, on peut calculer la puissance
rapportée au volume, moins usitée. Cette puissance spécifique est surtout fonction de la
conductivité intrinsèque de l'accumulateur, qui doit offrir le moins de résistance possible au
courant.
Vieillissement et usure
Le vieillissement et l'usure entrainent une perte progressive de la capacité des batteries avec le
temps (plusieurs années) et l'usage (plusieurs milliers de cycles de charge et de décharge).
Forme physique
La forme physique est normalisée par la Commission électrotechnique internationale (CEI) et
par l'American National Standards Institute (ANSI). Cependant un certain nombre
d'appellations propres aux fabricants de piles subsiste.
Différentes technologies
Plomb-acide
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2,25 V. Il s'agit du système
le plus ancien, mais aussi potentiellement l'un des plus polluants. C'est le dispositif de
stockage d'énergie électrique utilisé dans la plupart des véhicules automobiles.
•
L'accumulateur au plomb a été inventé par Gaston Planté qui observait l'électrolyse de
l'eau acidulée.
o En essayant le plomb dans sa recherche de matières plus économiques que le
platine, il remarqua que son appareil rendait de l'électricité lorsqu'on coupait
l'alimentation ; comme si l'oxygène et l'hydrogène pouvaient rendre l'électricité
qui les avait produits.
o Gaston Planté crut avoir inventé la pile à combustible, mais comprit vite que ce
n'était pas l'oxygène et l'hydrogène gazeux qui rendaient le courant, mais la
modification chimique (oxydation) de la surface du plomb.
o Son appareil se composait de deux lames de plomb maintenues écartées par
des bandes isolantes. Pour augmenter la surface des électrodes, Gaston Planté
enroula concentriquement deux bandes de plomb séparées par deux
intercalaires de caoutchouc pour éviter tout contact entre elles, le tout contenu
dans un bocal de verre rempli d’eau acidulée.
o Pour obtenir une capacité de décharge importante,Gaston Planté constata qu’il
était nécessaire de faire subir aux électrodes une série de cycles
charge/décharge qui constituait ce qu’il appela « la formation ».
Batterie plomb, gel-acide, étanche, 12V 7A/H
•
•
Le fonctionnement de la batterie ne disperse pas de
plomb.
• Le plomb est un polluant, en revanche le recyclage des
batteries est facile. Le transport et le recyclage des
batteries est de plus en plus sévèrement réglementé, ce qui augmente les frais, diminue
la rentabilité du recyclage ; par conséquent la quantité de batteries recyclées a
tendance à diminuer, le prix du kilogramme de batteries devient inférieur au prix du
kilogramme de ferraille.
La durée de vie ainsi que les performances d’une batterie au plomb dépendent
fortement de l’utilisation que l’on en fait. Ainsi, on a vu des batteries rendre l’âme
après seulement 50 cycles alors que d’autres du même type ont tenu plus de 500
cycles. Cette forte disparité est en partie due au fait que ces batteries sont influencées
par le type de cycle charge/décharge qu’on leur impose, supportent très mal les
décharges profondes et nécessitent un système embarqué de contrôle très poussé afin
de fournir les meilleures performances possibles.
Ni-Cd (Nickel-cadmium)
Accus Ni-Cd divers
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est
de 1,2 V. Ce couple électrochimique est l'un des plus
couramment utilisés depuis plusieurs décennies pour fabriquer
des batteries d'accumulateurs alimentant les appareils portatifs. Ce type d'accumulateur
possède un effet mémoire, ce qui impose leur stockage dans un état déchargé (0,6 V). La fin
de charge est caractérisée par une variation de la tension de charge (dv/dt) négative. C'est ce
seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge.
Par rapport au Ni-MH, le Ni-Cd peut supporter des pointes de courant en décharge plus
importantes (de l'ordre de 10 fois) mais sa décharge naturelle est beaucoup plus rapide que
celle du Ni-MH. Le cadmium est très polluant. Ce type d'accumulateur permet un nombre de
cycles charge/décharge plus important que les accus Li-ion et beaucoup plus important que les
Ni-MH (durée de vie supérieure).[réf. nécessaire]
Notons enfin que l'augmentation considérable des cours du nickel ces dernières années a
relancé le marché de ce type d'accumulateurs dans ses usages industriels (applications
aéronautiques, ferroviaires, stationnaires).
Ni-MH (Nickel-métal hydrure)
La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V. Ce type
d'accumulateur n'incorpore ni cadmium ni plomb et est donc peu polluant. De plus, son
énergie massique est supérieure de 40 % à celle des Ni-Cd et son effet mémoire est très faible.
La fin de charge est caractérisée par une variation de la tension de charge (δv/δt) très
faiblement négative. C'est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques de qualité
pour arrêter la charge.
Ni-Zn (Nickel-zinc)
Le NiZn est un couple connu depuis longtemps, mais qui n'avait pu être industrialisé de
manière significative, à cause d'une très faible durée de vie en cyclage.
Ce problème est aujourd'hui totalement résolu par une nouvelle technologie développée en
France entre 1998 et 2005.
Le NiZn constitue désormais un système à la fois d'énergie et de puissance, aux performances
supérieures à celles du NiCd et du NiMH. Il accepte des régimes élevés de charge et de
décharge. Sa tension nominale est de 1,65 V. Le NiZn est un accumulateur robuste, fiable et
parfaitement sûr[réf. nécessaire], fonctionnant en mode sans maintenance (étanche).
Sa durée de vie en cyclage est équivalente à celle du NiCd, son autodécharge et son effet
mémoire sont inférieurs.
Le NiZn est de fabrication plus économique que les autres accumulateurs alcalins (NiCd et
NiMH). Il ne contient aucun métal lourd, et il est aisément et intégralement recyclable en fin
de vie.
Lithium
Les accumulateurs à base de lithium sont d'une technologie récemment
mise au point et en cours de développement intense, présentant un très
important potentiel électrochimique.
On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium
métallique (matériau qui pose d'importants problèmes de sécurité), et la technologie lithium
ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien
à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive. Les problèmes de
sécurité demeurent (prise de feu) en cas de surcharge, de surdécharge ou de court-circuit. Les
accumulateurs lithium-ion sont partiellement remplacés par les accumulateurs lithium
polymère délivrant un peu moins d'énergie, mais beaucoup plus sûrs.[réf. nécessaire]
La durée de vie de ces accumulateurs n'est que de 2 à 3 ans après fabrication,
indépendamment du nombre de cycles de charges.[réf. nécessaire]
Le potentiel le plus répandu d'une cellule au lithium-ion est de 3,7 V.
Pile alcaline
Contrairement aux mentions inscrites sur leurs emballages, les piles alcalines « non
rechargeables » peuvent elles aussi être régénérées partiellement. Mais seulement avec un
chargeur adapté à cet usage. Les chargeurs standard (Ni-MH ou Ni-Cd) utilisent des
méthodes de charges non appropriées qui rendent l'opération dangereuse, pouvant aller
jusqu'à l'explosion de la pile ou du moins la destruction du conteneur avec fuite des produits
acides. D'ailleurs, par sécurité et de façon générale, chaque chimie nécessite une méthode de
charge spécifique donc un chargeur compatible.et encore que ce n'est pas fiable à 100 pour
cent.Pour votre sécurité, demandez à un revendeur spécialisé.
Certes, les alcalines subiront un nombre de cycles moins grand qu'un accumulateur, même en
restant dans les conditions idéales de réversibilité de la réaction chimique (en particulier, en
ne déchargeant jamais les éléments à moins de 1,25 V), il est possible de les régénérer
quelques dizaines de fois. En conséquence, cette possibilité est méconnue du grand public,
d'autant qu'elle est réservée aux amateurs avertis des contraintes. De plus, cela ne peut être
valable que pour certains usages.
Alcaline rechargeable
Il existe depuis les années 2000 une version améliorée dite alcaline rechargeable,
spécifiquement destinée à être rechargée de nombreuses fois. Ce produit est manufacturé en
particulier par une société canadienne[1]. Elle est disponible dans le commerce de façon
presque confidentielle.
Ce type de piles alcalines est particulièrement adapté aux appareils qui ne déchargent ni trop
vite, ni trop profondément leurs accumulateurs. Mais elles peuvent servir d' accu de secours
grâce à la longue durée de conservation de la charge hors utilisation.
Brome
Actuellement au stade de prototype, les accumulateurs à base de brome seront probablement
réservés aux installations fixes car ils nécessitent la circulation de l'électrolyte et, de plus, le
brome est particulièrement dangereux.
Les couples étudiés sont: sodium-brome, vanadium-brome et zinc-brome.
Tableau comparatif des différentes technologies [2],[3]
Durée de
Densité
vie
Densité Tension puissance en
massique
auto-décharge
Type
volumique d'un pointe(massique) (nombre
en
par mois
en Wh/L élément
en W/kg
de
Wh/kg
recharges)
Plomb/acide 30-50
75-120 2.25 V
700
400-800
5%
Ni-Cd
45-80
80-150
1,2 V
?
1500-2000
> 20 %
Ni-MH
60-110 220-330 1,2 V
900
800-1000
> 30 %
Ni-Zn
70-80
120-140 1,65 V
1000
> 1 000
> 20 %
Na-NiCl2
120
180
2,6 V
200
800
(ZEBRA)
>100%(12%/jour)
1,5-1,65
Pile alcaline 80-160
?
?
25 à 500
< 0,3 %
V[4]
Li-ion
90-180 220-330 3,6 V
1500
500-1000
10 %
Li-Po
100-130
?
3,7 V
250
200-300
10 %
Li-PO4
3,2V
800
2000
5%
120-140 190-220
(lithium
phosphate)
LMP
(lithium
110
110
2,6V
320
?
?
metal
polymer)
1500Li-Air
?
3,4 V
200
?
?
2500
La batterie Li-Po(lymère) est effectivement moins performante que la Li-ion mais fabriquée
différemment. Elle prend moins de place que la Li-ion. Par conséquent une batterie Li-Po de
même taille qu'une batterie Li-ion possède une capacité plus importante. Attention le tableau
précédent donne le rapport entre l'énergie stockée (les Wh) et la masse de la batterie (en kg).
Or, une batterie Li-Po est plus dense qu'une Li-ion, d'où la différence.
Voir aussi
Notes et références
1.
2.
3.
4.
↑ Le fabricant canadien de piles alcalines rechargeables [archive]
↑ Énergie - Les batteries du 3ème millénaire [archive]
↑ note de l' [archive]ADEME sur le stockage électrochimique
↑ Cette appellation regroupe des piles de technologies diverses, d'où la variabilité
Articles connexes
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•
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Batterie d'accumulateurs
Charge électrique
Effet mémoire
•
•
•
Pile électrique
Stockage d'énergie
Supercondensateur
Effet mémoire
L'effet mémoire est un phénomène physico-chimique affectant les performances des
accumulateurs électriques.
L'effet-mémoire est un phénomène qui affecte la capacité de
certains accumulateurs
Sommaire
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1 Technologies concernées
2 Manifestation de l'effet mémoire
3 Découverte de l'effet mémoire
4 Description de l'effet mémoire
5 Récupérer une batterie qui a un effet mémoire
6 Chargeurs adaptés
7 Voir aussi
o 7.1 Liens internes
o 7.2 Liens externes
Technologies concernées
L'effet mémoire concerne principalement les technologies Ni-Cd (nickel-cadmium) ou NiMH (nickel-métal hydrure ou nickel-hydrure de métal).
Cependant, les accumulateurs Ni-MH y sont moins sensibles, car ces derniers sont, en
général, hors d'usage avant que l'on ne puisse observer un effet mémoire significatif.
Les batteries plomb-acide ou à base de lithium (comme les batteries Li-ion) ne sont pas
sensibles à l'effet mémoire ; on peut par conséquent recharger ces batteries sans les avoir
préalablement déchargées.
Manifestation de l'effet mémoire
L'effet mémoire entraîne une diminution de la quantité d'énergie que l'accumulateur peut
échanger avec l'extérieur avec pour conséquence une diminution de la capacité nominale de
l'accumulateur.
L'accumulateur ne peut plus se décharger comme à l'origine. Il donne l'impression de pouvoir
stocker moins d'énergie, mais en réalité, c'est davantage la restitution qui pose problème :
l'énergie n'est simplement plus accessible de la même façon en raison de l'effet mémoire.
On peut faire l'analogie avec le réservoir d'un véhicule dont une partie serait bouchée mais
enfermerait encore du carburant. Avec un tel réservoir et la même quantité de carburant, on ne
pourra plus parcourir la même distance qu'avec un réservoir en bon état.
Découverte de l'effet mémoire
Historiquement, cet effet a été découvert par la NASA avec les satellites.
Les satellites rechargent leurs accumulateurs à l'aide de capteurs solaires. Certains satellites
passent d'un endroit éclairé à un endroit sombre à intervalles très réguliers. Leurs
accumulateurs se chargent et se déchargent toujours de la même façon. Après un certain
nombre de ces cycles réguliers, ils ne peuvent plus se décharger au-delà de la valeur à laquelle
ils ont été habitués. L'accumulateur a « enregistré » ce niveau de décharge, d'où le nom « effet
mémoire ».
Dans la vie courante, cette situation ne se rencontre pratiquement jamais, sauf pour quelques
rares systèmes automatisés, car cet effet ne se manifeste que lorsque les décharges successives
sont arrêtées exactement au même niveau de capacité, cas assez peu courants.
Selon le sens communément admis l'appellation « effet mémoire » correspond plutôt à un
abus de langage. Les termes anglais voltage depression ou lazy battery effect, s'ils avaient des
équivalents français, seraient plus appropriés.
Description de l'effet mémoire
Le problème apparaît lors de l'utilisation d'accumulateurs dans des appareils munis d'une
détection de la tension d'alimentation. Cette détection est destinée à provoquer l'arrêt de
l'appareil lorsque les accumulateurs sont vides (c'est-à-dire lorsque la tension à leurs bornes
atteint un seuil minimum). Cette sécurité est nécessaire au bon fonctionnement de l'appareil
lui-même et évite la destruction irréversible de l'accumulateur par décharge profonde.
Un accumulateur de batterie Ni-Cd possède une électrode de cadmium, composée de petits
cristaux. Dans certaines conditions, on observe un accroissement de la taille des cristaux. Cet
agrandissement diminue la surface de contact entre l'électrode et l'électrolyte ce qui provoque
une baisse de tension de la partie dégradée et augmente la résistance interne de
l'accumulateur.
Alors que la tension nominale du Ni-Cd est de 1,2V/élément, cette structure dégradée présente
une tension nominale plus basse, d'environ 1,08 V/élément.
Lors de l'utilisation, tout se passe comme si chaque élément avait deux parties, une partie
normale à 1,2V et une partie à 1,08V dégradée. L'énergie sera d'abord prélevée dans la partie
présentant la tension la plus élevée et tout paraîtra normal. Lorsque cette partie sera épuisée,
on viendra alors puiser dans la partie dégradée, mais le seuil de tension passera alors
brutalement de 1,2V/élément à 1,08V/élément.
Ce changement crée une discontinuité dans la courbe de décharge de l'accumulateur. La
tension nominale va se rapprocher du seuil minimum de fonctionnement de l'appareil, passer
en-dessous et provoquer l'arrêt.
Vu de l'utilisateur, on peut croire à une perte de capacité, en fait la capacité est toujours
disponible mais avec une tension inférieure.
On observe notamment ce phénomène dans 2 cas:
•
•
lors des décharges partielles de l'accumulateur (il apparaît une différence de structure
entre la partie chargée et la partie déchargée)
lors de la charge d'une batterie à base de nickel.
o Une fois la charge terminée la batterie reçoit un courant d'entretien supposé
compenser l'auto-décharge. Malheureusement, après un certain temps, ce
courant d'entretien engendre la dégradation progressive des éléments de
l'accumulateur par cristallisation localisée de l'électrolyte. Après cela, la
tendance est de remettre la batterie sur le chargeur, lequel en injectant à
nouveau le courant d'entretien en fin de charge altère davantage le couple NiCd.
L' appareil ne vide jamais l'accumulateur jusqu'à son seuil minimal et il y a une augmentation
successive de la partie dégradée. En réalité cette structure altérée est normale et fait partie du
fonctionnement de l'accumulateur. Heureusement ce phénomène n'est pas irréversible.
Récupérer une batterie qui a un effet mémoire
En branchant une batterie affectée du problème sur un système de décharge approprié
(déchargeur), destiné à la vider jusqu'au seuil minimum de 1V/élément, la partie de la capacité
qui a une « mauvaise » tension nominale, sera restaurée.
Il pourra alors être procédé à la recharge de la batterie qui retrouvera une grande partie de sa
performance.
Ces opérations ne doivent pas être effectuées sans matériel adapté, ni précautions. Tous les
accumulateurs électriques sont dangereux : ils peuvent s'échauffer, prendre feu, voire
exploser et provoquer des dommages corporels graves.Il vaut mieux acheter un déchargeur
de batterie adapté plutôt que de prendre le risque de détruire la batterie bêtement en faisant
descendre sa tension en-dessous de 1V .
Chargeurs adaptés
Les chargeurs modernes et de qualité, spécifiques à la technologie Ni-Cd, grâce à leurs
fonctions de pré-décharge et de charge « intelligentes » ainsi qu'à leur détection de fin de
charge correcte, permettent de s'affranchir de l'effet « dit » mémoire.
Supercondensateur
Des supercondensateurs
Un supercondensateur est un condensateur de technologie particulière permettant d'obtenir
une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les
condensateurs électrolytiques classiques.
Ces composants permettent donc de stocker une quantité d'énergie intermédiaire entre ces
deux modes de stockage, et de la restituer plus rapidement qu'une batterie.
Sommaire
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1 Principe de fonctionnement
2 Caractéristiques
3 Commercialisation
4 Applications
5 Notes
6 Voir aussi
Principe de fonctionnement
La majorité des supercondensateurs commercialisés sont réalisés selon le procédé double
couche électrochimique d'où le sigle anglosaxon EDLC (electrochemical double layer
capacitator).
Le supercondensateur est constitué de deux électrodes poreuses, généralement en charbon
actif et imprégnées d'électrolyte, qui sont séparées par une membrane isolante et poreuse
(pour assurer la conduction ionique). La couche double électrique se développe sur chaque
interface électrode-électrolyte, de sorte que l'on peut voir schématiquement un
supercondensateur comme l'association série de deux condensateurs, l'un à l'électrode positive
et l'autre à l'électrode négative. La mobilité des anions, beaucoup moins hydratés, est plus
grande que celles des cations. Ils se déplacent plus facilement dans la structure du charbon
actif et forment une couche d'épaisseur plus faible, de sorte que l'on observe une valeur de
capacité d'anode supérieure à celle de cathode. En raison des lois d'association des
condensateurs, la capacité de l'ensemble en série est toujours inférieure à la plus faible de ces
deux capacités.
On sait que la capacité d'un condensateur est
essentiellement déterminée par la géométrie des
armatures (surface spécifique S et distance e) et de la
nature du ou des isolants (le diélectrique). La
formule suivante est souvent utilisée pour en estimer
la valeur :
Ici, les molécules de solvant organique jouent le rôle
de diélectrique (de permittivité ε). Cela correspond à une faible épaisseur e d'isolant
(inférieure au nanomètre) ce qui entraîne que la capacité par unité de surface de ces
composants est élevée : de 0,1 F. m-2 à 0,3 F. m-2
D'autre part, grâce à l'usage d'un dépôt de charbon actif sur un film en aluminium qui présente
des surfaces spécifiques S typiques de 2 000 à 3 000 m2 par gramme, la surface de contact
entre électrode et électrolyte est immense, ce qui permet d'obtenir des valeurs de capacité
considérables.
La tenue en tension est limitée par la décomposition du solvant organique. Elle est
actuellement de l'ordre de 2,5 V.
Caractéristiques
•
•
•
•
La tension maximale par élément est actuellement d'environ 2,7 V (record détenu par
Maxwell)
Ce type de condensateur n'est pas polarisé.
La résistance interne est très faible ce qui autorise une charge ou une décharge avec de
forts courants
En conséquence, le temps de charge peut être de l'ordre de quelques secondes.
Comparaison des performances
(ordres de grandeur)
Pile à
Condensateur
Batterie Supercondensateur
combustible
électrolytique
Densité de puissance (W/kg)
Densité d'énergie (Wh/kg)
120
150
150 - 1500 50 -1500
1 000 - 5 000
100 000
4-6
0,1
Concernant les densités d'énergie, elles sont comprises entre 0,5 et 10 Wh/kg pour les
supercondensateurs du commerce. L'université du MIT en a réalisé un atteignant 30 Wh/kg (la
valeur de 60 Wh/kg sera atteinte dans un futur proche[réf. nécessaire]), les firmes japonaises
Advanced Capacitor Technologies et JEOL annoncent avoir développé un supercondensateur
d'une densité d'énergie de 20 Wh/kg, tandis que la société EEStor affirme que ses prochains
produits offriront une densité de plus 300 Wh/kg[1],[2].
Commercialisation
Les supercondensateurs sont commercialisés sous différents noms et sous différentes
appellations commerciales :
•
•
supercapacités : société Batscap, filiale du groupe Bolloré ;
Ultracapacitors :
o Ultracaps : société Epcos (ex Siemens-Matsushita) qui a annoncé l'arrêt de
cette gamme de produit,
o Goldcaps : société Panasonic,
o Boostcap : société Maxwell Technologies,
o DL Caps : société Nippon Chemi-Con [archive].
o EESU : société EEStor.
Applications
Les applications incluent la voiture électrique (comme tampon d'énergie entre le variateur de
vitesse et les batteries), mais aussi tous les cas de stockage d'énergie électrique avec des
conditions climatiques extrêmes (par exemple : démarreur de locomotives, contrôle
d'orientation des pales des éoliennes).
Notes
1.
2.
↑ EEStor Announces Certification of Additional Key Production Milestones and Enhancement of
Chemical Purity [archive]
↑ EEStor Announces Production Milestones [archive]
Voir aussi
•
•
•
•
Condensateur (électricité)
Capacité électrique
Nanocondensateur
Coltan