Batteries – Présentation

Qu’est-ce qu’une batterie ?

Une batterie est un dispositif qui stocke de l'énergie chimique. Lorsque la batterie est activée, cette énergie chimique libère de l'énergie électrique.  Toutes les batteries ont un pôle positif et un pôle négatif. Le pôle positif s'appelle « anode ». Le pôle négatif s'appelle « cathode ». De nos jours, les batteries sont omniprésentes dans la vie quotidienne. Elles sont utilisées dans les véhicules, les lampes de poche, les téléphones, les appareils photos, et une multitude de dispositifs électriques. Tout dispositif électrique dépourvu d'une fiche d'alimentation est nécessairement alimenté par batterie.

Les types de batteries sont nombreux et chacun a une utilisation spécifique.  Il est important de comprendre les différents types de batteries, leur rôle et leur fonctionnement.

Les batteries jouent un rôle essentiel dans notre vie et elles apportent des avantages importants et variés. Qu'elles soient primaires ou secondaires, elles apportent à leurs utilisateurs une plus grande liberté d'utilisation des appareils électriques. Elles permettent d'emporter des téléphones, des ordinateurs et bien d'autres dispositifs hors d'un site privé ou professionnel, pour l'utiliser à l'extérieur, dans des environnements naturels. Les batteries sont donc un outil de productivité essentiel.

 

Comment fonctionne une batterie ?

Une batterie contient plusieurs composants.  Nous avons déjà indiqué qu'elle comporte une anode et une cathode, comme pôles positif et négatif. Elle contient un matériau électrolyte. Les produits chimiques internes provoquent une réaction chimique au niveau de l'anode, qui se traduit par une accumulation d'électrons. Cette accumulation génère une sorte de conflit entre la cathode et l'anode, et les électrons ont tendance à se réorganiser. Une différence électrique se développe alors entre l'anode et la cathode. Les électrons deviennent instables, leur réorganisation visant à compenser cette différence. Les électrons se repoussent mutuellement afin de se déplacer vers une zone contenant moins d'électrons. Dans la batterie, cela signifie qu'ils se déplacent vers la cathode, en traversant l'électrolyte. Cette réaction électrochimique crée l'énergie électrique fournie par la batterie.

Mais cette réaction ne peut pas aboutir à un effet réel tant que le circuit reste ouvert.  Même si les électrons se déplacent du pôle positif au pôle négatif, la batterie n'émet aucune énergie. Pour cela, la batterie doit faire partie d'un circuit fermé, par la connexion d'un conducteur, comme lorsque vous insérez une batterie dans un appareil. Le circuit se ferme et les électrons peuvent circuler. L'énergie électrique libérée alimente alors l'appareil connecté à la batterie. Mais une batterie ne contient qu'une quantité limitée de produits nécessaires à la réaction chimique. La réaction chimique faiblit progressivement jusqu'à ce que la batterie soit vide.

 

Quelle est la différence entre une batterie primaire et une batterie secondaire ?

Certaines batteries n'autorisent qu'une seule utilisation.  La réaction chimique diminue jusqu'à ce que la batterie ne fournisse plus d'énergie et elle doit être recyclée et remplacée par une batterie neuve. Ces batteries à usage unique sont appelées batteries primaires ou piles. Le mot pile désigne toute batterie monobloc non-rechargeable. Les batteries primaires les plus courantes incluent les piles alcalines utilisées pour alimenter des lampes-torches et des radios portables. En fait, la plupart des dispositifs portables fonctionnent avec ce type de piles.

Les batteries secondaires sont par contre rechargeables.  Elles peuvent être déchargées et rechargées plusieurs fois. Par définition, une batterie est rechargeable, alors qu'une pile ne l'est pas. La restauration de la charge est effectuée en inversant le courant. En plus de laisser le courant sortir en circulant vers le pôle négatif, une batterie secondaire accepte de recevoir et de stocker de l'énergie fournie par une source électrique externe. Lorsque la charge d'une batterie secondaire est rétablie au maximum de sa capacité, la batterie peut à nouveau être utilisée. Ce type de batterie est largement utilisé. Elles incluent des batteries de téléphones, d'ordinateurs portables, de lecteurs MP3 et autres dispositifs.

Les batteries secondaires servent aussi à alimenter une multitude de jouets, contrôleurs de jeux vidéo, organiseurs, caméscopes, appareils photos, moteurs électriques et outils électriques portables.  Les batteries secondaires sont une solution idéale pour les dispositifs et les applications qui consomment rapidement la charge des batteries. Les smartphones en sont un excellent exemple. Selon le degré d'utilisation, certains utilisateurs doivent recharger leur téléphone portable ou smartphone chaque jour. Les batteries rechargeables sont donc la solution indispensable à de telles utilisations.

 

Quels sont les types de batteries existants ?

Plusieurs types de batteries sont disponibles, répondant à différents besoins et utilisations.

 

• Batterie cylindrique – Le type cylindrique est très fréquent aussi bien pour les batteries que pour les piles.  Les modèles cylindriques sont très utilisés, faciles à fabriquer, peuvent résister à de fortes pressions internes, tout en conservant leur forme et leur fonction.
• Pile-bouton – Les piles-boutons sont utilisées dans des dispositifs de petites dimensions, qui ne peuvent pas contenir une pile ou batterie cylindrique.  Les piles-boutons peuvent être empilées dans l'appareil pour lui fournir le niveau de tension requis. Elles ont bénéficié d'une demande particulièrement forte il y a quelques années. Elles sont maintenant utilisées pour des applications spécifiques, telles que montres, alarmes de voitures, prothèses auditives, et autres dispositifs similaires de petites dimensions.
• Batterie prismatique – Les batteries prismatiques sont apparues au début des années quatre-vingt-dix.  Elles sont plus fines que les batteries cylindriques, offrent une plus grande capacité et plus d'énergie que les piles-boutons. Elles sont par exemple utilisées dans les téléphones portables et autres équipements portables.
• Batterie molle – Les batteries molles forment une catégorie à part.  Elles utilisent des feuilles métalliques soudées à une électrode dotée de pôles positif et négatif. Elles ne sont pas disponibles dans le commerce, et sont uniquement fabriquées pour des applications spécifiques. Ce type de batterie peut se gonfler et il existe un risque de perforation avec détérioration du dispositif connecté.

 

Une des autres particularités des batteries vient du fait qu'elles peuvent être sèches ou humides.  Les batteries humides contiennent un électrolyte liquide. Elles sont aussi appelées piles ouvertes. Dans une pile ou batterie sèche, l'électrolyte est pâteux. Elle ne contient que l'humidité nécessaire à la circulation du courant.

 

Qu'est-ce que la performance d'une batterie ?

La performance d'une batterie est simplement la qualité de son fonctionnement dans différentes conditions.  La durée de vie d'une batterie est un de ses facteurs de performance. Différents types de batteries ont différents cycles de charge, de surcharge, de vie. Les conditions qui impactent la performance d'une batterie incluent la consommation, la température, la technologie chimique.

 

Comment sont définies la capacité et la décharge d'une batterie ?

La capacité d'une batterie est le montant de la charge électrique qu'elle peut fournir à la tension prévue par le fabricant. Si la batterie a une plus grande électrode, elle aura une capacité plus importante. Plus la batterie est petite, plus sa capacité est faible, même si elle utilise la même technologie interne qu'une grande batterie. La capacité est mesurée en amp-heures, ou A-h.

 

Comment est définie la durée de vie d'une batterie ?

La « durée de vie » ou « autonomie » d'une batterie donne une indication de la durée de son fonctionnement.  La capacité diminue progressivement pendant l'utilisation. La durée est aussi influencée par d'autres facteurs, par exemple des températures basses. L'utilisation réduit naturellement la durée de vie de la batterie, et plus l'utilisation est intensive, plus la capacité diminue rapidement. Prenez par exemple un smartphone uniquement utilisé pour téléphoner et envoyer des messages textes. Sa batterie peut durer relativement longtemps. Mais si l'utilisateur augmente la luminosité de l'écran, regarde des vidéos, utilise des jeux, la batterie se videra d'autant plus rapidement.

Les batteries rechargeables (secondaires) comme celles utilisées dans les smartphones peuvent être rechargées pour assurer une utilisation continue de l'appareil connecté.  Cependant, à long terme, leur capacité diminue progressivement jusqu'au point où elles auront besoin d'une connexion constante à une source électrique pour assurer le fonctionnement du dispositif.

 

Qu’est-ce que l'autodécharge d'une batterie ?

L'autodécharge signifie qu'une pile ou batterie se vide lorsqu'elle n'est pas utilisée.  Les piles non-rechargeables, ou batteries primaires, perdent généralement entre 8 % et 20 % de leur charge chaque année, à la température ambiante. Tel est le taux de décharge normal, et après quelques années de stockage, les piles sont presque inutilisables. Par conséquent, garder un stock de piles peut être une bonne idée, mais pas si elles doivent rester inutilisées pendant trop longtemps. Une température de stockage légèrement plus basse peut contribuer à réduire un peu le taux de décharge.

Les batteries rechargeables ont aussi un taux de décharge, qui est plus rapide que celui des piles alcalines.  Elles perdent environ 10 % au cours des premières 24 heures, puis environ 10 % chaque mois.

 

Qu’est-ce que la corrosion d'une batterie ?

La corrosion d'une batterie commence lorsque les composants internes s'usent ou se détériorent.  Lorsqu'une batterie vieillit, elle commence souvent par se détériorer, en particulier si elle est à l'intérieur d'un dispositif. Cette évolution peut causer une fuite et détériorer le dispositif. Ceci est plus fréquent avec des piles jetables que des batteries rechargeables, mais aucun type de batteries n'échappe à la corrosion. Les batteries automobiles sont également sujettes à la corrosion. Si vous constatez des traces de corrosion sur une batterie, elle doit être retirée avec précaution et évacuée de manière appropriée. Le dispositif doit être nettoyé avant d'installer une nouvelle batterie ou pile.

 

Comment sont définis la vitesse de charge et de décharge d'une batterie ?

Il peut être difficile de déterminer la vitesse de charge et de décharge d'une batterie parce qu'il existe un très grand nombre de types, tailles et capacités de batteries.  Pour déterminer la vitesse de charge et de décharge d'une batterie, divers facteurs doivent être pris en compte, tels que ses composants physiques, sa taille et son utilisation.

Certains types de batteries, tels que les batteries NiCd, sont encore plus difficiles à évaluer parce qu'ils sont sensibles au phénomène appelé « effet mémoire ». La capacité de certains types de batteries diminue en fonction de leur mode d'utilisation. Lorsqu'une batterie est uniquement utilisée pendant quelques heures puis rechargée, cette durée est progressivement mémorisée. L'autonomie de la batterie diminue prématurément parce que l'effet mémoire perturbe la vitesse de charge et décharge.

 

Qu’est-ce que la surcharge d'une batterie ?

La surcharge d'une batterie est facile à comprendre.  Elle est également facile à provoquer, surtout en l'absence de voyant lumineux pour indiquer que la pleine charge est atteinte. Si une batterie est en surcharge, elle peut être endommagée, jusqu'au point où elle peut cesser de fonctionner. Certains dispositifs incluent une sécurité pour éviter les surcharges mais il est préférable de ne pas prendre ce risque.

 

Comment stocker des batteries ?

Il est conseillé de stocker des batteries à des températures inférieures, comme indiqué précédemment.  Cette précaution réduit le taux de décharge. Le réfrigérateur est un bon choix, puisque les températures basses ralentissent les réactions chimiques à l'intérieur des batteries. Cela permet d'augmenter la durée de vie de certaines batteries, telles que les alcalines, d'environ 5 %. Certains fabricants, comme Duracell, déconseillent la réfrigération.

Les batteries doivent être conservées dans un lieu protégé et sec.  En outre, les batteries doivent être tenues hors de portée des enfants ou des animaux de compagnie, parce qu'elles présentent certains risques, comme l'explique la section suivante.

 

Pourquoi les batteries/ piles sont considérées comme dangereuses ?

Dans la plupart des cas, les batteries ne posent aucun risque, pendant leur stockage et leur utilisation.  Néanmoins, du fait des réactions chimiques qu'elles contiennent, et comme rien ne peut être considéré comme totalement sans risque, il est important de connaître les différents types de risques que posent les batteries.

 

• Fuite – Certains types de batteries peuvent fuir.  Elles peuvent se corroder, et une fuite ou une perforation laissera le contenu s'échapper. Ces produits chimiques peuvent être dangereux pour les personnes et les animaux.
• Explosion – Dans certains cas, par exemple pendant la recharge d'une batterie primaire, un risque d'explosion existe.  Les batteries automobiles peuvent exploser si un courant puissant les traverse à la suite d'un court-circuit. La surcharge d'une batterie peut aussi provoquer son explosion.
• Matériaux toxiques – Les batteries contiennent des matériaux toxiques, tels que du plomb et du mercure, qui peuvent être extrêmement dangereux. Il est donc important d'évacuer avec toutes les précautions réglementaires les batteries usagées. Les batteries usagées ne doivent pas être jetées avec les ordures ménagères.
• Ingestion – L'ingestion des piles ou batteries, telles que les piles-boutons, est extrêmement dangereuse. C'est pourquoi elles ne doivent jamais être laissées à portée des enfants.  Elles peuvent se coincer dans la gorge, ou les produits chimiques peuvent fuir dans le système digestif.

 

Quels sont les types de batteries existants ?

• Batteries automobiles – Ces batteries sont spécialement conçues pour tous les types de véhicules, voitures, camions, motos, et autres.
• Batteries non-rechargeables – Les batteries primaires ou piles incluent les modèles AAA, AA, et autres couramment utilisées pour lampes-torches, télécommandes, etc.
• Batteries rechargeables – Les batteries secondaires sont couramment utilisées dans les lecteurs MP3, smartphones, ordinateurs portables, et autres dispositifs.

 

Batteries Nickel-Cadmium (NiCd)

Les batteries NiCd ont été inventées en 1899. Une barre de nickel hydroxyde est utilisée comme cathode. Le cadmium est utilisé comme anode. La cathode et l'anode sont séparées par de l'acide électrolytique. Les batteries NiCd font partie des types de batteries les plus couramment utilisées, incluant les modèles 9 volts, AAA, AA, C, et D. Ce sont des batteries rechargeables qui ont l'avantage de se recharger rapidement. Elles sont très utilisées dans différents types de dispositifs, tels qu'équipements médicaux, outillage électrique, appareils photos, télécommandes.

 

Batteries au plomb

La batterie au plomb est le type de batterie automobile le plus courant. Ces batteries de démarrage fournissent une puissante décharge qui permet de démarrer un moteur. Outre leur rôle de batteries de démarrage, les batteries au plomb sont aussi utilisées comme stockage à long terme. Elles sont couramment utilisées pour le camping, les bateaux, les treuils, etc. Elles sont capables de fournir une puissance régulière à faible intensité requise pour diverses applications.

 

Nickel Métal Hydrure (NiMh)

Les batteries NiMh sont rechargeables.  La réaction chimique de ces batteries est similaire à celle des batteries NiCd. À la place du cadmium, l'électrode négative est fabriquée dans un alliage qui absorbe l'hydrogène. L'un des plus grands avantages de ces batteries est d'offrir une capacité deux à trois fois supérieure à celle des batteries NiCd.

Pour charger une batterie NiMh, il est conseillé d'utiliser un chargeur intelligent pour éviter la surcharge, qui est un véritable risque sur ce type de batteries.

 

Batteries lithium-ion

Premièrement commercialisées en 1991, ces batteries génèrent de l'électricité grâce au mouvement des ions lithium entre la cathode et l'anode. Très petites et légères, elles sont utilisées dans de nombreux produits informatiques et téléphones. Ces batteries secondaires sont faciles à recharger. Il suffit de brancher le dispositif qui les contient à une prise secteur.

 

Batteries spécialisées

Un grand nombre de batteries spécialisées sont également disponibles, conçues pour des applications uniques. Elles sont généralement disponibles en une seule taille.  Les petites batteries peuvent alimenter divers petits accessoires, tels que montres, podomètres, glucomètres, etc. Des batteries spécialisées de plus grande taille peuvent alimenter des éclairages d'urgence. Elles servent aussi à alimenter des éclairages de sortie de secours.

 

Comment maintenir des batteries ?

La maintenance des batteries contribue à prolonger leur durée de vie.  Il est conseillé de stocker les batteries dans un endroit sec et frais, pas forcément dans un réfrigérateur. Il est important de vérifier périodiquement l'état des batteries, parce qu'elles peuvent se corroder. Les batteries doivent être remplacées régulièrement, avant d'être vides, pour éviter qu'un dispositif cesse de fonctionner pendant son utilisation.

Par contre, les batteries rechargeables doivent être uniquement rechargées lorsque cela est réellement nécessaire.  Laissez-les se vider et branchez-les pour les recharger. Sinon, elles peuvent subir l'effet mémoire déjà mentionné, qui réduit leur durée de vie et qui est difficile à corriger.