Batterie au plomb. Sommaire. Historique. Caractéristiques techniques [

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1 Batterie au plomb Caractéristiques Énergie/Poids Wh/Kg Énergie/Volume Wh/L Rendement charge-décharge 50 % Énergie/Prix public Auto-décharge 5% Durée de vie min. 4 à 5 ans 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 1 Historique 2 Caractéristiques techniques 3 Performances 4 Utilisation 5 Charge 6 Causes de dégradation o 6.1 La sulfatation Désulfatation o 6.2 La décharge complète o 6.3 Cyclage o 6.4 Oxydation des électrodes o 7 Voir aussi 8 Notes 6.5 Oxydation des bornes 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 :

2 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 [

3 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 : la sulfatation la décharge complète le cyclage l'oxydation des électrodes l'oxydation des bornes

4 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.

5 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.

6 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 [masquer] 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 6 Voir aussi o 6.1 Liens externes Les batteries nécessaires aux voitures électriques mais 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] : nickel - cadmium (Ni - Cd) 50 Wh par kg nickel - zinc (Ni - Zn) 80 Wh par kg 1 re filière lithium (Ni - MH) 75 Wh par kg plomb 2 e génération (2006) 75 Wh par kg [1] [archive] système zébra : sodium - chlorure de nickel 85 Wh par kg

7 1 re 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 2 e 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 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 : 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.

8 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 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.

9 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 [masquer] 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

10 o 3.2 Ni-Cd (Nickel-cadmium) o 3.3 Ni-MH (Nickel-métal hydrure) o 3.4 Ni-Zn (Nickel-zinc) o 3.5 Lithium o 3.6 Pile alcaline o 3.7 Alcaline rechargeable o 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 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.

11 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 = mah = 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 = 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

12 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.

13 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

14 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 [réf. nécessaire] Ni-MH (durée de vie supérieure). 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 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.

15 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 [réf. nécessaire] polymère délivrant un peu moins d'énergie, mais beaucoup plus sûrs. La durée de vie de ces accumulateurs n'est que de 2 à 3 ans après fabrication, [réf. nécessaire] indépendamment du nombre de cycles de charges. 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.

16 Tableau comparatif des différentes technologies [2],[3] Type Densité massique en Wh/kg Densité volumique en Wh/L Tension d'un élément puissance en pointe(massique) en W/kg Durée de vie (nombre de recharges) auto-décharge par mois Plomb/acide V % Ni-Cd ,2 V? > 20 % Ni-MH ,2 V > 30 % Ni-Zn ,65 V 1000 > > 20 % Na-NiCl2 (ZEBRA) ,6 V >100%(12%/jour) Pile alcaline ? 1,5-1,65 V [4]? 25 à 500 < 0,3 % Li-ion ,6 V % Li-Po ? 3,7 V % Li-PO4 (lithium ,2V % phosphate) LMP (lithium metal ,6V 320?? polymer) Li-Air ? 3,4 V 200?? 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. Le fabricant canadien de piles alcalines rechargeables [archive] 2. Énergie - Les batteries du 3ème millénaire [archive] 3. note de l' [archive]ademe sur le stockage électrochimique 4. Cette appellation regroupe des piles de technologies diverses, d'où la variabilité Articles connexes Batterie d'accumulateurs Charge électrique Effet mémoire

17 Pile électrique Stockage d'énergie Supercondensateur

18 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 [masquer] 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 Ni- MH (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.

19 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.

20 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 Ni- Cd. 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.

21 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 [masquer] 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

22 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 à m 2 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 combustible Batterie Supercondensateur Condensateur électrolytique Densité de puissance (W/kg) Densité d'énergie (Wh/kg) ,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

23 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. EEStor Announces Certification of Additional Key Production Milestones and Enhancement of Chemical Purity [archive] 2. EEStor Announces Production Milestones [archive] Voir aussi Condensateur (électricité) Capacité électrique Nanocondensateur Coltan