Batteries

Une batterie est constituée d’accumulateurs électrochimiques associés en série et/ou en parallèle. Chaque accumulateur est un système électrochimique qui permet de convertir de _{manière réversible l’énergie chimique stockée en électricité. Il comporte une électrode} positive et une électrode négative immergées dans un électrolyte (Figure I-34). Il existe différentes technologies d’accumulateurs électrochimiques que l’on peut classer en fonction de la nature des électrodes et de l’électrolyte. Les plus utilisées sont : plomb- acide, nickel-cadmium, lithium-ion et nickel-hydrure métallique. [107], [105].

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 Historique des batteries

L’accumulateur au plomb-acide est la technologie la plus ancienne [108]. Il a été inventé en 1859 par le français Gaston Planté qui mit au point un système composé de deux feuilles de plomb enroulées en spirales et immergées dans une solution d’acide sulfurique. Cette technologie s’est perfectionnée et reste compétitive par sa robustesse, sa recyclabilité, sa simplicité et son faible coût [109].

L’accumulateur nickel-cadmium (Ni-Cd) a été découvert par le Suédois Waldemar Jungner en 1900. Les performances du premier modèle de cet accumulateur et celles des accumulateurs au plomb était proches sauf en décharge rapide. La version améliorée de cet accumulateur a été commercialisée à grande échelle dans les années 1950. Depuis 1980, l’utilisation d’une mousse de nickel a permis son amélioration en terme d’énergie [109].

L’accumulateur nickel-hydrure métallique (Ni-MH) appartient aussi à la famille des accumulateurs au nickel. Il a été découvert dans les années 1960 et commercialisé depuis 1990 [110]. Cette technologie est largement répandue dans les années 2000. Aujourd’hui, elle est supplantée par la technologie lithium en termes d'énergie massique.

Les accumulateurs au lithium ont été inventées par le physicien allemand John Goodenough à la fin des années 1970 [111]. Elles ont ensuite connu plusieurs avancées majeures au fil des années. En 1991, la première batterie lithium-ion a pu être commercialisée par l’entreprise Sony. Cette technologie a connu son essor avec le groupe Bolloré en 2000[109].

 Principe de fonctionnement d’une batterie

Le principe de fonctionnement d’un accumulateur électrochimique est illustré à la Figure

I-34. En mode décharge, à travers des réactions d’oxydoréductions, l’accumulateur

convertit l’énergie chimique stockée en énergie électrique (générateur d’énergie électrique). Les électrodes libèrent des ions qui migrent dans l’électrolyte, entraînant le transit des électrons par le circuit extérieur afin de conserver la neutralité électrique [109]_{. En effet, à l’anode (électrode négative en décharge), s’effectue la réaction} d'oxydation, et les électrons libérés à l’anode passent dans le circuit extérieur pour arriver à la cathode (électrode positive en décharge) où s’opère la réaction de réduction [97]. A contrario, le phénomène s’inverse durant la charge. L’accumulateur fonctionne en récepteur d’énergie électrique.

L’électrolyte d’un accumulateur au plomb-acide (𝑃 − 𝐴𝑐) est une solution aqueuse d'acide sulfurique, sa cathode est constituée d'oxyde de plomb (𝑃 𝑂2) et son anode de plomb _{𝑃 . Quant à l’accumulateur au nickel-cadmium (𝑁𝑖 − 𝐶𝑑), l'électrolyte est à base} de potasse, la cathode est composée d_{'hydroxyde de nickel et l’anode de cadmium [97].} Pour l’accumulateur nickel-hydrure métallique (𝑁𝑖 − 𝑀𝐻), l’électrode négative est constituée d’un alliage d’hydrure métallique MH. L’électrode positive est à base d’oxyhydroxyde de nickel et est à capable d’absorber et de désorber l’hydrogène [112]. Il utilise _{une solution d’hydroxyde de potassium (KOH) comme électrolyte. Par rapport à}

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l’accumulateurs au lithium-ion (𝐿𝑖 − 𝑖𝑜𝑛), l'électrolyte est constitué d’une solution d’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6) dans un mélange de solvants organiques, l_{’électrode positive est composée d’oxydes de métaux de transition (𝐿𝑖𝐶𝑜𝑂2}, 𝐿𝑖𝑁𝑖𝑂2 ou 𝐿𝑖𝑀𝑛2𝑂4) et l’électrode négative de carbone graphité (LiCx) [92].

Figure I-34 Principe d’un accumulateur électrochimique [92].  Propriétés et applications

Les batteries au plomb offrent un coût bas, une puissance importante, ce qui les rend attractives dans des applications qui requièrent une puissance importan_{te mais qui n’ont} pas de contrainte d’espace dès lors que ces accumulateurs ont une énergie spécifique faible. Elles sont généralement utilisées pour le démarrage et l’alimentation auxiliaire des véhicules thermiques, et comme batteries stationnaires pouvant disposer d’un espace important, notamment les télécommunications, les dispositifs de secours, la signalisation des chemins de fer, etc. Elles ont cependant une densité énergétique et une durée de vie faibles. De plus, elles exposent des risques d’explosion et renferment des produits fortement toxiques [105], [109].

Les batteries nickel-cadmium ont des performances supérieures à celles batteries au plomb en termes de meilleures densités et de durée de vie. Néanmoins, elles restent polluantes, plus coûteuses et leur tension est plus faible (1,15V à 1,45V). De plus, si la décharge est incomplète, leur capacité chute rapidement. Par conséquent, elles sont de moins en moins utilisées. Depuis 2006 en Europe, une directive européenne de 2006 (directive2006/66/CE du Parlement Européen) a limité leur utilisation aux systèmes d’urgence et d’alarme, notamment les éclairages de sécurité, et les équipements médicaux. Leur usage dans l’outillage électroportatif est interdit depuis le 31 décembre 2016 [110].

Les batteries Nickel-Hydrure Métallique diffèrent des batteries nickel-cadmium au niveau de l’électrode négative dont le matériau actif est constitué d’un alliage d’hydrure métallique MH [92]. Elles présentent un certain _{nombre d’avantages tels que : une densité} d’énergie volumique plus élevée, un faible coût, un fonctionnement possible à basse température et une bonne sureté de fonctionnement. De plus, elles permettent de s’affranchir des problèmes liés à la toxicité du cadmium [107]. Comme pour les batteries nickel-cadmium, elles utilisent des accumulateurs de tension nominale définie à 1,25 V

Electrode

positive Electrodenégative 𝑒 − Electrolyte Interfaces de réaction 𝑒 − 𝑒 − Récepteur Ions transportés Electrons

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[113]. Les énergies massique et volumique varient respectivement dans une plage de 65 à 90 Wh/kg et de 210 à 350 Wh/L. Quant à la densité de puissance, elle peut atteindre 200 W/kg. L’auto décharge des accumulateurs 𝑁𝑖 − 𝑀𝐻 peut atteindre 4 à 5 % par jour quand ils sont pleinement chargés, puis 1 à 2 % par jour _{lorsqu’ils sont partiellement déchargés} [110]. Dotées _{d’une bonne dynamique impulsionnelle, les batteries Nickel-Hydrure} Métallique sont très utilisées depuis quelques années dans les véhicules électriques et hybrides, notamment la Toyota Prius standard [113]. Cependant, vue l_{’évolution de} l’électronique embarquée, elles ne parviennent plus à répondre au besoin demandé car leur énergie massique est très modérée. Ainsi, les constructeurs préfèrent de plus en plus l’utilisation des batteries lithium-ion, tel est le cas de la Toyota Prius rechargeable [107]. L’utilisation des batteries lithium-ion a exponentiellement progressé grâce à leurs très bonnes performances, en termes de densités, de rendement et de durée de vie. De plus elles sont moins toxiques pour l’environnement, mais leur prix reste élevé [105]. Malgré cette limite, les batteries au lithium-ion occupent la quasi-intégralité du marché de téléphonie mobile. Elles sont aussi utilisées dans l’aérospatiale et dans les applications de forte puissance [114]. Elles sont jugées appropriées pour les applications éoliennes [105] [115], photovoltaïques [116] et hydroélectriques [117], [118].

Le Tableau I-3 fait la synthèse de la comparaison des trois technologies de batteries présentées [97].

Tableau I-3 Comparaison de quelques technologies de batteries [97]