Technologie de la batterie
Une batterie comporte un ou plusieurs éléments, chacun doté d'une électrode positive (la cathode), d'une électrode négative (l'anode), d'un séparateur et d'un électrolyte. Selon les composants chimiques et les matières utilisées pour ces éléments, les propriétés de la batterie seront différentes et auront un impact sur la quantité d'énergie stockée et délivrée, la puissance fournie ainsi que sur le nombre de cycles de charges et de décharges.
Les fabricants de batteries recherchent constamment des systèmes électrochimiques plus économiques, plus denses, plus légers et plus puissants. Cependant il existe plusieurs technologies des batteries qui sont:
Batteries au plomb
Les batteries plomb-acide sont les systèmes de batteries rechargeables les plus anciens et les plus largement utilisés aujourd'hui, principalement en raison de l'attachement de l'industrie automobile à la chimie plomb-acide.
Il existe essentiellement deux types de batteries plomb-acide, à savoir (i) le type plomb-acide ouvert et (ii) le type plomb-acide fermé (scellé).
Les batteries au plomb ouvertes
La batterie plomb-acide ouvert utilise aujourd'hui essentiellement la conception développée par Faure en 1881. Elle se compose d'un conteneur à plusieurs plaques immergé dans un bassin d'acide sulfurique dilué (batteries à électrolyte liquide).
La recombinaison est minime, de sorte que l'eau est consommée pendant toute la durée de vie de la batterie et les batteries peuvent émettre des gaz corrosifs et explosifs en cas de surcharge.
Ces batteries nécessitent un entretien régulier consistant à refaire le niveau de l'électrolyte, à l'aide d'eau distillée ou déminéralisée, qui doit recouvrir les plaques de quelques millimètres. A faire tous les mois, selon la fréquence d'utilisation et la température ambiante.
Les batteries fermées
Les batteries plomb-acide fermées (parfois dites étanches) sont apparues pour la première fois dans le commerce au début des années 1970. Bien que les réactions principales de la cellule scellée soient les mêmes que celles des autres formes de batteries plomb-acide, la principale différence réside dans le processus de recombinaison qui se produit dans la cellule scellée lorsqu'elle atteint sa pleine charge.
Au contraire des batteries plomb-acide ouvert, les batteries plomb-acide fermées ne permet aux gaz de s'échapper, ni de faire l'entretien par ajout d'eau.
Il existe deux types de batteries plomb-acide fermées: Batteries sèches au Gel et les batteries sèches AGM.
Les batteries Gel
La batterie au gel est obtenue en mélangeant du gel de silice avec un électrolyte, ce qui l'amène à se mettre en forme sous forme de gélatine.
Cette technologie des batteries a tendance à supplanter les autres modèles à base de plomb en raison de ses caractéristiques plus efficaces. Sur le marché solaire, il est considéré comme l'évolution haut de gamme des batteries plomb-acide.
Elles supportent également mieux les décharges profondes. À 50 % de décharge, elles peuvent durer plus de 1000 cycles. En termes de durée de vie, cela représente entre 6 et 10 ans pour une application solaire.
Notez néanmoins que la batterie gel supporte mal une vitesse élevée de charge et de décharge. Il lui faut donc une application en décharge lente pour optimiser son nombre de cyclages. De plus, elle présente un prix élevé : environ le double de la batterie plomb ouvert. Il faudra également la conserver dans un lieu frais ou climatisé.
Les batteries AGM
Les batteries AGM utilise un séparateur en fibre de verre fine pour absorber et retenir l'électrolyte liquide. Elle se présente sous la forme d'une batterie au plomb scellée. Son principal avantage est le fait qu'elle ne nécessite pas d'entretien. Elle présente en plus l'intérêt d'être étanche et de ne pas dégager d'hydrogène ni de chaleur durant les cycles de charge ou de décharge. Plus adaptée aux utilisations quotidiennes, elle peut faire l'objet d'une utilisation régulière, sans que ses performances en soient affectées.
Comme toutes les batteries au plomb, la batterie AGM est particulièrement sensible à l'élévation de la température. Elle est également plus chère que sa version au plomb ouvert et présente une faible durée de vie en cyclage en plus de présenter une profondeur de décharge de 80 % en général.
Accumulateur Nickel-Cadmium
Les batteries Nickel-Cadmium (Ni-Cd) peuvent également être considérées comme une technologie mature. La structure principale de ces batteries contient une plaque d'électrode positive en hydroxyde de nickel, une plaque d'électrode négative en hydroxyde de cadmium, un séparateur et un électrolyte alcalin. Bien que leur densité énergétique soit supérieure à celle des batteries plomb-acide correspondantes, l’auto-décharge est plus importante. Les décharges profondes et une période de service considérable, contrebalançant le coût d'investissement élevé respectif, sont les caractéristiques les plus positives de la technologie ; Les faibles taux d'efficacité et les préoccupations environnementales concernant la toxicité du cadmium sont les caractéristiques les plus négatives de la technologie.
Accumulateur Nickel-Métal Hydrure
Les batteries nickel-hydrure métallique (NiHM) sont similaires à la technologie éprouvée des batteries nickel-cadmium, sauf qu'une électrode négative absorbant l'hydrogène est utilisée à la place de l'électrode à base de cadmium. Cela élimine le cadmium, un matériau toxique, tandis que cette substitution augmente la capacité électrique de la batterie.
Les batteries NiHM ont une durée de vie plus longue que les batteries Li-ion. La caractéristique de décharge plate, l'excellent taux élevé, la longue durée de vie et la tolérance aux abus ont fait du NiHM le premier choix pour une utilisation dans les véhicules électriques hybrides (HEV[1]). Cependant, l'obstacle important pour les applications HEV[1] est le taux élevé d’auto-décharge, perdant 5 à 20 % de sa capacité dans les 24 premières heures après une charge complète. Les batteries NiHM coûtent actuellement à peu près le même prix que les batteries lithium-ion.
Batteries au Lithium
Les batteries lithium-ion, proposées pour la première fois dans les années 1960, sont devenues réalité lorsque Bell Labs a développé une anode en graphite utilisable pour fournir une alternative au lithium métal (batterie au lithium). Les premières batteries lithium-ion commerciales ont été produites par Sony en 1990. Depuis lors, de meilleurs développements de matériaux ont conduit à de vastes améliorations en termes de densité énergétique (passée de 75 à 200Wh/kg) et de durée de vie (augmentée jusqu'à 10 000 cycles).
L'efficacité des batteries Li-ion est proche de 100 %, ce qui est un avantage important par rapport aux autres batteries. Ils ont une constante de temps de charge et de décharge rapide définie comme le temps nécessaire pour atteindre 90 % de la puissance nominale de la batterie, soit environ 200 ms, avec une efficacité aller-retour relativement élevée de 78 % en 3 500 cycles. Les batteries lithium-ion sont devenues la technologie de stockage la plus importante dans les domaines des applications portables et mobiles (par exemple, ordinateur portable, téléphone portable, vélo électrique et voiture électrique) depuis environ 2000.
Le principal obstacle est le coût élevé (900 à 1 300 $/kWh) en raison d'un emballage spécial et des circuits internes de protection contre les surcharges. Étant donné que les batteries lithium-ion sont actuellement encore chères, elles ne peuvent rivaliser avec les batteries au plomb que dans les applications qui nécessitent des temps de décharge courts.