Les batteries : principe de fonctionnement et évolutions technologiques

ses matériaux actifs en énergie électrique à travers une réaction d’oxydoréduction (22). Dans le cas d’une batterie rechargeable, le processus de rechargement est obtenu en inversant la même réaction électrochimique. Ce type de réaction implique le transfert d’électrons d’un matériau à un autre grâce à un circuit électrique. Une batterie est composée de plusieurs cellules élémentaires (cells) qui sont connectées en série ou en parallèle, en fonction de la tension de sortie et de la

capacité désirée. Une cellule est composée de trois éléments principaux :

– L’anode ou électrode négative : dans cet élément a lieu une réaction électrochimique d’oxy- dation (émission d’électrons).

– La cathode ou électrode positive : où se produit une réaction électrochimique de réduction (absorption d’électrons).

– Un électrolyte : qui fournit le medium à travers lequel se transfèrent les ions entre l’anode et la cathode. L’électrolyte utilisé dans les batteries est un conducteur d’ions, mais il a la propriété d’être un isolant électrique.

La meilleure combinaison de matériaux pour l’anode et la cathode est celle qui permet d’avoir des batteries légères, avec une tension de sortie et une capacité élevée. En pratique, on utilise des métaux comme le Zinc, ou le Lithium. Les éléments les plus souvent utilisés pour la cathode sont des oxydes métalliques. L’électrolyte doit être un bon conducteur d’ions et avoir des propriétés d’isolant électrique pour éviter des court-circuits entre l’anode et la cathode. Il doit aussi être stable et ne doit pas réagir avec les matériaux de l’anode et de la cathode.

On classifie les batteries en deux catégories : primaire non rechargeable, ou secondaire re- chargeable. A technologie identique les batteries primaires possèdent une densité énergétique supérieure par rapport aux batteries secondaires, ainsi qu’une auto-décharge inférieure (l’auto- décharge est un phénomène qui provoque une réduction de la charge électrique stockée dans la batterie quand la batterie n’est pas utilisée). Il existe aussi une autre typologie de batterie appe- lée pile à combustible (23). Ces batteries sont composées, comme les batteries traditionnelles, par deux électrodes et un électrolyte, mais les électrodes ne sont pas consommées avec le temps et les produits ne sont pas stockés à l’intérieur de la pile. Le combustible et le comburant proviennent d’une source externe et, aussi longtemps qu’ils sont fournis à la pile, l’électricité continue de circuler. Le développement des piles à combustible est encore limité par de nombreux facteurs dont les problèmes liés au stockage du combustible (l’hydrogène).

Les trois paramètres principaux utilisés pour caractériser une batterie sont : – la tension de sortie exprimée en volt (V).

– la capacité exprimée en Coulomb (C) ou Ampère-heure (Ah). – la densité d’énergie exprimée en Watt-heure par gramme (Wh/g).

La tension de sortie dépend des matériaux utilisés pour l’anode et la cathode, mais aussi de leurs concentrations et de la température selon l’équation de Nernst (24). La capacité théorique dépend de la quantité de matériaux actifs présents dans la batterie. La capacité est liée à la quantité d’électricité qui est obtenue dans la réaction électrochimique entre l’anode et la cathode ; elle ne prend pas en compte les autres matériaux qui peuvent participer à la réaction (par exemple l’électrolyte). La capacité peut s’exprimer aussi en terme d’énergie en multipliant la tension de sortie par la capacité exprimée en Ah. La densité d’énergie est ensuite obtenue en normalisant par rapport à un gramme de composants actifs.

La Table2.8montre des valeurs théoriques et expérimentales de tension de sortie, capacité et densité d’énergie pour différents batteries primaires, secondaires et piles à combustible. Comme

Table _{2.8: Tension de sortie, capacité et densité énergétique pour différents technologies de batte-} ries (22).

Théorie Batteries réelles

Batterie Anode Ca-

thode Ten- sion [V] Capacité [Ah/Kg] Densité d’Énergie [Wh/Kg] Ten- sion [V] Densité d’Énergie [Wh/Kg] Batteries Primaires Alcaline M nO2 Zn M nO2 1.5 224 358 1.5 154 Alcaline Hg Zn HgO 1.34 190 225 1.35 100 Mercad Cd HgO 0.91 163 148 0.9 55 Li/M nO2 Li M nO2 3.5 286 1001 3.0 260 Li/F eS2 Li F eS2 1.8 726 1307 1.5 310 Batteries Secondaires Nickel- Cadmium Cd N i (oxide) 1.35 181 244 1.2 40 Nickel-metal hydride M Hc N i (oxide) 1.35 178 240 1.2 100 Lithium-ion LixC6 Lii−x Co O2 4.1 109 448 3.8 200 Lithium- manganese dioxide Li M nO2 3.5 286 1001 3.0 120 Lithium/iron disulfide Li(Al) F eS2 1.73 285 493 1.7 180 Piles à combustibles H2/O2 H2 O2 1.23 2975 3660 N/A N/A Methanol/O2 CH3 OH O2 1.24 2000 2480 N/A N/A

il a été mentionné précédemment, l’énergie maximale qui peut être délivrée par une batterie dépend du type et de la quantité de matériaux actifs utilisés. Le type de matériaux détermine la tension de la batterie et la quantité détermine la capacité de décharge. En réalité seule une partie de l’énergie théorique totale stockée dans la batterie est effectivement utilisée. Les deux causes principales sont la variation de la tension de sortie et l’impossibilité d’utiliser la capacité maximale d’une batterie. En fait, quand la batterie se décharge, non seulement sa tension de sortie baisse, mais en plus de cela il n’est pas possible de décharger une batterie jusqu’à zéro volt, ce qui limite les Ampère-heure de charge réellement délivrés. Une autre cause de la réduction de l’énergie réellement disponible est due à l’équilibre imparfait entre les éléments actifs. Il faut aussi remarquer que la densité d’énergie dans une batterie réelle est limitée par les éléments qui

ne participent pas à la réaction électrochimique, mais qui font partie intégrante de la structure de la batterie, comme par exemple l’électrolyte.

Les limites théoriques sur la densité d’énergie fournissent une estimation de la capacité d’une batterie. En réalité l’énergie effectivement délivrée peut être très inférieure aux valeurs théoriques, comme le montre la Figure 2.5.

Figure _{2.5: Densité d’énergie théorique et réelles pour différentes batteries (22).}

Cette figure montre trois valeurs de densité d’énergie : une densité théorique calculée en consi- dérant uniquement les matériaux actifs, une densité calculée en prenant en compte l’électrolyte et les autres matériaux qui ne participent pas à la réaction électrochimique et une dernière densité mesurée dans des conditions quasi-optimale (faible courant, température de 20℃). On remarque que dans certains cas la densité énergétique peut être réduite de moitié par rapport à la valeur théorique (surtout pour les batteries rechargeables) et qu’en moyenne on constate une réduction d’environ 20%. Ce phénomène peut s’amplifier si la décharge est effectuée dans des conditions non optimales (25) (cela est valable pour les batteries primaire et secondaire) ou si la batterie a subi un nombre élevé de cycles de charge/décharge (26) (valable que pour les batteries rechar- geables). La Figure2.6montre le progrès dans l’évolution des batteries primaires et secondaires. Les progrès accomplis dans le domaine des batteries au Lithium ont permis d’améliorer significa- tivement la densité énergétique. Les recherches se focalisent sur l’optimisation de la structure de la batterie et des composants actifs pour l’amélioration de la densité énergétique, l’amélioration

Figure _{2.6: Évolution des batteries primaires et secondaires en terme de densité d’énergie.}

de la conversion énergétique et du processus de recharge ainsi que la fiabilité. Dans l’amélioration de la densité énergétique, on peut citer la batterie Lithium-air (27), qui utilise l’oxygène présent dans l’air comme réactif, ce qui permet de réduire considérablement le poids car il n’y plus be- soin de stocker le réactif dans la batterie. Des travaux ont aussi été publiés sur l’utilisation des cathodes nanostructurées (28). Avec cette technologie il est possible d’augmenter d’un facteur 3 la densité énergétique comparée à la technologie Lithium-ion montrée en Table 2.8 (cathode de type Lii−xCoO2).

Outre les développements axés sur l’amélioration de la densité énergétique, on peut citer des technologies qui visent à miniaturiser la structure de la batterie pour faciliter son utilisation dans des dispositifs tels que les capteurs médicaux implantables, les pacemakers cérébraux et d’autres systèmes qui nécessitent un niveau élevé d’intégration. Dans cette catégorie de batterie on peut citer les batteries lithium en couches minces (lithium thin film batteries) (29). Cette batterie est assemblée à partir d’un substrat sur lequel sont déposées des couches minces constituant l’anode, la cathode et l’électrolyte, le tout étant recouvert par un revêtement de protection. La structure finale peut avoir une épaisseur d’environ 15 µm (revêtement de protection compris). La densité d’énergie pour ce type de batterie est de l’ordre de 1 mW h/cm2, mais il est possible d’augmenter la capacité de la batterie en empilant plusieurs structures. Dans le commerce on trouve des batteries lithium en couches minces qui ont une capacité comprise entre 1 µAh (pour une taille de 1.375mm x 0.85mm x 200 µm d’épaisseur) jusqu’à 100µAh (pour une taille de 8mm x 8mm dans un package 16 pin QFN) (30).

Les piles à combustible ont un avantage considérable en termes de densité énergétique. Comme il a été montré en Table 2.8, leur densité d’énergie est environ dix fois supérieure à la densité d’énergie théorique d’une batterie Lithium. Dans les piles à combustible, au contraire des batte-

ries, la source d’énergie et le dispositif de conversion où a lieu la réaction chimique sont séparés, ce qui rend le système plus complexe et pose aussi des problèmes en termes de sécurité et fiabilité.