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Lithium-ion

Commercialisée pour la première fois par Sony Energitech en 1991, la batterie lithium-ion occupe aujourd'hui une place prédominante sur le marché de l'électronique portable. Ses principaux avantages sont une densité d'énergie élevée (densité massique deux à cinq fois plus que le Ni-MH par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire. Enfin, l'auto-décharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le lithium aux systèmes de petite taille.

La batterie lithium-ion fonctionne sur l'échange réversible de l'ion lithium entre une électrode positive, le plus souvent un oxyde de métal de transition lithié (dioxyde de cobalt ou manganèse) et une électrode négative en graphite (sphère MCMB)^{. L'emploi d'un électrolyte aprotique (un sel LiPF6 dissous dans un mélange de carbonate) est obligatoire pour éviter de dégrader les électrodes très réactives.}

La tension d’un élément Li-Ion est de 3,6 V. Cette équivalence 1 élément Li-Ion = 3 éléments Ni-MH est très intéressante car elle permet dans certains cas de faire une substitution pure et simple, du Li-Ion par du Ni-MH uniquement, l'inverse pouvant s'avérer catastrophique. De plus le Ni-MH est d'une utilisation plus sûre, en particulier lors de la charge.

Ce problème de sécurité impose d'intégrer un système électronique de protection, embarqué le plus souvent dans chaque élément au lithium (Il empêche une charge ou décharge trop profonde : sinon le danger peut aller jusqu'à l'explosion de l'élément).

Les courants de charge et de décharge admissibles sont aussi plus faibles qu'avec d'autres technologies. Enfin, un autre défaut : les éléments vieillissent même en l'absence d'utilisation. Quel que soit le nombre de charges/décharges, leur durée de vie serait limitée à une durée d'environ deux ou trois ans après fabrication.

Notons cependant qu'il existe des accumulateurs Li-ion industriels de grande puissance (plusieurs centaines de watts par élément) qui ne sont pas touchés par ce vieillissement, grâce à une chimie plus travaillée et une gestion électronique poussée. Ces éléments peuvent fonctionner jusqu'à 15 ans (aéronautique, vehicules hybrides, systèmes de secours). Les satellites Galiléo par exemple sont équipés de batterie Li-ion d'une durée de vie de douze ans . Cependant l'utilisation de la technologie Li-ion à ces échelles de puissance n'en est qu'à ses débuts.

Avantages des accumulateurs lithium-ion

Ils ne présentent aucun effet mémoire contrairement aux accumulateurs à base de nickel
Ont une faible autodécharge (10 % par mois voire souvent moins de quelques % par an !)
Ne nécessitent pas de maintenance
Possèdent une haute densité d'énergie pour un poids très faible, grâce aux propriétés physiques du lithium (très bon rapport poids/potentiel electrique). Ces accumulateurs sont donc très utilisés dans le domaine des systèmes embarqués.
Permettent une meilleure sécurité que les batteries purement lithium, mais nécessitent toujours un circuit de protection.

Prolonger la vie d'une batterie Li-ion (lithium-ion)

Ne pas faire de décharge profonde.
Ne pas stocker les batteries trop longtemps sans les utiliser.
Stocker la batterie à température ambiante (beaucoup de constructeurs préconisent le stockage à 15 °C)
Stocker la batterie aux alentours de 40 % de charge.
Ne pas charger complétement la batterie avant de la stocker.
Ne pas décharger complétement la batterie avant de la stocker.
Ne pas faire de stock de batteries de rechange.
Lors de l'achat de la batterie, vérifier la date de fabrication, son usure commençant dès sa sortie d'usine.
Ne pas utiliser durant le temps de charge.

Le NIMH

Les accumulateurs nickel métal hydrure ou NiMH ont été commercialisés vers 1990 et présentent une énergie volumique supérieure d'au moins 30% par rapport aux accumulateurs NiCd(Cadmium-nickel) et sont aujourd'hui eux-mêmes dépassés en termes d'énergie massique par les accumulateurs Li-ion(Lithium-ion) et Lithium-polymère.

L'avantage, en matière d'environnement, des batteries d'accumulateurs NiMH est l'absence de cadmium et de plomb, deux matériaux très polluants. En outre elles possèdent de meilleures performances ainsi qu'une faible sensibilité à l'effet mémoire.

Hormis le nickel(sous forme d'hydroxyde) de l'electrode positive, les accumulateur NiMH utilisent comme electrolyte une solution d’hydrogène de potassium(potasse - KOH) ainsi qu'un alliage hydrurable à base de lantame (terre rare) et de nickel de type LaNi5.

Leurs fabrication et recyclage doivent néanmoins être effectués très soigneusement, par exemple l' hydroxyde de potassium est irritant et corrosif pour la peau, les yeux, les voies respiratoires et digestives.

Le plomb

Charge

Courbes de tension de charge selon l'intensité. C représente la Capacité en A.h

Traditionnellement la charge d'un accumulateur au Nickel de capacité C se fait à I=C/10h, c’est-à-dire pour une durée de charge théorique de 10 heures (en pratique plus proche de 14h). Les accumulateurs NiMH ne supportant pas d'être surchargés (sauf par un courant d'entretien très faible < C/20h), il est recommandé en pratique d'utiliser un chargeur qui détecte automatiquement la fin de charge. La détection n'est fiable que pour une charge rapide, soit de l'ordre de C/1h ou même de C/15min. Un chargeur optimal combinerait plusieurs caractéristiques :

charge rapide t < 1h
détection de fin de charge par (δv/δt)<0, ou par le point d'inflexion (δ²v/δt²)=0 ,
surveillance de la température de l'accumulateur,
temporisation de sécurité,
détection des accumulateurs défectueux.

La batterie de prédilection des véhicules hybrides

Accumulateur nickel-métal hydrure de Varte, Museum Autovision, Altlußheim, Allemagne

Les batteries NiMH sont actuellement le standard pour équiper les voitures hybrides (moteur à combustion + moteur électrique). En effet malgré des performances en retrait par rapport aux batteries à base de lithium, elles gardent l'avantage de bien supporter de forts courants de charge et de décharge et sont beaucoup plus sûres en cas de surchauffe.

La Toyota Prius et la Honda Civic IMA, par exemple, sont toutes deux équipées d’une batterie Panasonic (Matsushita) NiMH, de 1,5 kWh (39 kg pour la première et de 28 kg pour la seconde). Ces batteries sont prévues pour durer toute la durée de vie du véhicule (garanties 8 ans).

Actuellement, toutes les batteries défectueuses sont renvoyées au Japon chez Panasonic, qui se charge du recyclage. À terme, celui-ci devrait être effectué en France par la SNAM où le processus de recyclage est toujours en cours de développement.

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 :

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):

$mbox{Pb} (s) +mbox{HSO}_{4}^{-} (aq) leftrightarrow mbox{PbSO}_{4} (s) +2e^-+ mbox{H}^+quadepsilon^o = -0.356 mathrm{V}$

Cathode (réduction):

$mbox{PbO}_{2} (s) +mbox{HSO}_{4}^{-} (aq) +3mbox{H}^++2e^- leftrightarrow mbox{PbSO}_{4} (s) +2mbox{H}_2mbox{O} (l) quadepsilon^o = 1.685 mathrm{V}$

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).

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 :

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. Ce procédé est toutefois sujet à discussions par les spécialistes de la batterie car il n'a pas clairement démontré son efficacité sur le terrain (un peu comme les piles alcalines rechargeables).

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.

La plupart des batteries neuves ne sont que préchargées. Une batterie neuve, qui n'est pas rechargée au préalable avec un chargeur adapté, peut être ammenée en décharge complète si le véhicule n'est pas utilisé pour recharger la batterie (avec un nombre sufisant de kilomètres).

Exemples :

Installation de la batterie (sans recharge), démarrage (pour test), suivi d'un long stationnement ... décharge complète.
Installation de la batterie (sans recharge), démarrage suivi d'un nombre de kilomètres limité (la batterie n'est donc pas sufisemment rechargée), stationnement, démarrage suivi de nouveau d'un nombre de kilomètres limité ... ainsi de suite jusqu'à décharge complète.

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.

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