Présentation des batteries

 

Présentation des batteries

Les batteries, présentes dans d'innombrables dispositifs dans le monde entier, sont devenues essentielles pour la vie moderne. Cette source de puissance portable a joué un rôle dans le développement de nombreux objets que nous prenons pour acquis, qui vont des lampes de poche aux iPod. Grâce à leurs nombreuses applications, au lieu d'être une humble relique de l'époque avant l'électricité, elles continuent à jouer un grand rôle dans les technologies actuelles et futures.

Sous sa forme la plus simple, une batterie est une cellule électrochimique qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique par le biais d'électrodes négatives et positives. Un électrolyte (un liquide conducteur d'électricité) facilite le mouvement des ions entre ces électrodes, pour produire un courant électrique par le biais des bornes de la batterie.

Dans la vie de tous les jours, on classifie généralement les batteries en sources de puissance « primaires » ou « secondaires ». La plupart des batteries utilisées à la maison, par exemple, sont classées dans la catégorie « utilisables une seule fois » (primaire). Une fois l'énergie de la cellule épuisée, la batterie est jetée et on la remplace par une neuve. En revanche, les batteries rechargeables peuvent, comme leur nom le suggère, être ramenées à un état opérationnel en les rechargeant, généralement avec un kit de recharge de batterie.

 

L'histoire de la batterie

Avant l'adoption généralisée du réseau électrique et la production d'électricité à l'échelle industrielle, à la fin du XIXe siècle, les batteries étaient la source principale d'énergie électrique. Ce que l'on sait moins, c'est que le terme « batterie » remonte au XVIIIe siècle. Initialement inventées par l'inventeur américain Benjamin Franklin en 1749, les premières « batteries » étaient de simples condensateurs reliés ensemble et chargés par un générateur statique. Lorsqu'on appliquait du métal à leurs électrodes, les condensateurs se déchargeaient. Cet effet de décharge était renforcé lorsque les condensateurs étaient reliés ensemble pour former une « batterie ».

Le XIXe siècle a introduit de nombreuses innovations dans le domaine des sciences physiques, y compris le travail pionnier sur l'induction électromagnétique mené par le scientifique britannique Michael Faraday (1791-1867). Ailleurs, le continent européen jouait lui aussi un rôle déterminant dans le développement de sources d'énergie. Dès 1800, le physicien italien Alessandro Volta (1745-1827) avait inventé ce que nous considérons aujourd'hui comme la première véritable batterie. Composée de disques de cuivre et de zinc montés en alternance et remplie de couches de carton imprégné de saumure, la « pile voltaïque » était la première batterie « liquide » capable de produire un courant régulier.

L'invention de Volta s'est avérée être un grand tournant dans le développement des technologies de batterie. Malgré des défauts techniques tels que des courts-circuits provoqués par des fuites d'électrolyte (les disques empilés comprimaient le carton imprégné de saumure), cette pile a inspiré des inventeurs d'autres pays du monde qui ont peaufiné le concept et recherché des moyens de produire plus de courant pendant plus longtemps. En 1836, le scientifique anglais John F. Daniell a construit une cellule (ultérieurement appelée Cellule de Daniel) qui utilisait du sulfate de cuivre et du sulfate de zinc comme électrolytes. Son expérience s'est soldée par une réussite : cette nouvelle batterie produisait 1,1 volt de puissance et pouvait fournir une charge électrique pendant bien plus longtemps que son vénérable prédécesseur. Elle a également permis de fournir à d'autres innovations, comme le télégraphe et, plus tard, le téléphone, une source d'alimentation fiable.

C'est un scientifique allemand qui a créé la première batterie « sèche » en 1887. En effet, le concept de Carl Gassner n'utilisait pas d'électrolyte liquide. Il l'avait remplacé par du chlorure d'ammonium (un sel cristallin soluble souvent présent dans les modèles « liquides » précédents) combiné à du plâtre de Paris et du chlorure de zinc pour créer une batterie capable de fournir 1,5 volts en permanence. Il s'agissait d'une réussite considérable à l'époque. Ce concept de batterie « sèche » a donné naissance à de nombreux types de batteries que nous utilisons aujourd'hui.

 

Présentation des types de batteries

 

Batterie

Une batterie peut désigner n'importe quelle cellule convertissant de l'énergie chimique en énergie électrique. Partout présentes dans l'industrie, le commerce et les foyers, les batteries sont utilisées pour fournir de l'énergie dans de nombreux cadres, y compris les ordinateurs personnels, les véhicules, les appareils portables et l'électro-ménager. Parmi les types de batteries courants, citons les piles sèches au chlorure de zinc et les piles alcalines.

 

Batteries rechargeables

Les batteries rechargeables sont classées comme des cellules « secondaires » pour les distinguer de leurs cousines primaires (utilisables une seule fois). À tous les égards, elles produisent du courant de la même manière que les cellules primaires, mais pour les batteries rechargeables le processus de décharge est réversible. Dès que l'énergie électrique d'un chargeur ou d'une autre source est appliquée le flux d'électrons (négatifs vers positifs dans le cas d'une décharge) s'inverse et la cellule peut à nouveau produire de l'énergie. La batterie rechargeable moderne est généralement du type lithium-ion, mais les modèles nickel-cadmium et nickel-métal hybride étaient également assez répandus jusqu'à une date relativement récente.

 

Batteries CR2032

La préférée des horlogers, la batterie CR2032 se trouve souvent dans les montres et autres appareils où des sources discrètes d'énergie (telles que les contrôleurs « durs » dans les ordinateurs comme les puces CMOS) tenant la charge pendant une longue période sont nécessaires. En termes généraux, une batterie CR2032 a une décharge lente et faible, ce qui signifie que la cellule reste opérationnelle pendant très longtemps. Une batterie au lithium à cellule simple, la CR2032, a une puissance de 3,0 volts.

 

Chargeur de batterie

Les chargeurs de batterie remplacent la charge des cellules secondaires en y ramenant du courant électrique. À leur niveau le plus simple, une source d'énergie CC constante ou par impulsions est forcée dans la batterie, qui commence alors à se charger. Les chargeurs basiques – ou simples – n'ont pas la capacité d'ajuster leur puissance en fonction de la charge de la batterie et ne sont généralement pas fournis avec une minuterie. C'est pourquoi ils chargent généralement plus lentement que les autres types de dispositifs de recharge et peuvent affaiblir ou détruire la capacité d'une batterie à se charger si on la laisse dans le chargeur trop longtemps.

D'autres types de chargeurs de batteries sont les chargeurs à régime lent et les chargeurs à minuterie. Ces derniers sont souvent utilisés pour charger les batteries de petite capacité – généralement 2-30 Ah. On les utilise aussi pour charger des batteries sur des véhicules aussi divers que les bateaux et les voitures, mais vu leur faible puissance leur fonction principale est de faire l'appoint de charge des batteries qui sont déjà partiellement chargées.

Les chargeurs à minuterie permettent d'arrêter la charge après un délai défini. Ils étaient très appréciés pendant les dix dernières années du XXe siècle mais présentaient des restrictions si on y mettait différents types de batteries à recharger. Cet aspect était particulièrement évident pour les appareils dotés de minuteries préréglées conçues pour un seul type de batterie. En effet, le chargeur était conçu pour s'arrêter après une période de charge calculée pour recharger entièrement ce type de batterie spécifique. Quand on chargeait d'autres types de batteries avec le même appareil, elles étaient souvent sous-chargées ou surchargées.

 

Batteries pour ordinateur portable

Les batteries pour ordinateur portable modernes sont des batteries lithium-ion. Mais jusqu'à une date relativement récente, c'étaient des batteries nickel-cadmium ayant l'inconvénient majeur de créer des risques environnementaux lorsqu'elles étaient mises au rebut de manière incorrecte. Elles ont ensuite été remplacées par des batteries nickel-métal-hybride qui offraient une meilleure performance que leurs prédécesseurs. La génération actuelle de batteries lithium-ion pour ordinateur portable a amélioré considérablement le taux de décharge (mesure de la durée de la batterie une fois chargée) et représente un bon équilibre entre prix et performance.

Les batteries lithium-ion fonctionnent en forçant des ions de lithium à passer de l'électrode négative à l'électrode positive pendant la décharge. En termes de capacité à tenir la charge, la nature très réactive du lithium comme élément signifie que l'énergie peut être densément stockée dans ses liaisons atomiques. Une batterie lithium-ion standard peut donc stocker jusqu'à 150 watts-heure d'électricité dans une batterie de 1 kilo. Pour les utilisateurs d'appareils informatiques portables tels que les ordinateurs portables, les avantages sont évidents, notamment parce que ces types de batteries ont la capacité de fournir des centaines de cycles de charge avant de devenir inutilisables.

 

Piles SR44

Les piles SR44 sont un type de pile à l'oxyde d'argent souvent utilisées dans les montres et les jouets. Comme les autres batteries, les LR44 offrent une longue durée de vie (et une décharge très lente) qui les rend idéales pour alimenter des appareils exigeant une charge constante pour fonctionner. Leur ressemblance à la « forme bouton » des piles lR44 peut créer une certaine confusion, mais les caractéristiques de tension de chacune sont subtilement différentes ; le modèle SR a généralement une plus grande capacité de stockage.

 

Piles AA

Partout présentes à la maison, les piles AA sont essentielles dans de nombreux équipements électriques. Composées d'une seule cellule et d'une borne positive et négative, ce sont l'un des formats de pile standard les plus courants sur le marché actuellement. La capacité des piles AA dépend de la chimie de la cellule et du type de batterie, mais certaines batteries au chlorure de zinc ou alcalines offrent plus de milliampères-heure (mAh) que les piles standard au zinc-carbone (parfois entre 1000 et 3000 mAh) et sont souvent utilisées pour des appareils exigeant plus de puissance.

Les piles AA sont également disponibles sous forme rechargeable. Leur coût relativement faible et leurs propriétés chimiques différentes (lithium-ion et nickel-cadmium sont les plus courantes) offrent une alternative utile aux piles primaires de même format.

 

Batteries Yuasa

Les batteries Yuasa sont des batteries plomb-acide fabriquées par la société japonaise Yuasa. Utilisées dans les motos et dans d'autres domaines de l'industrie automobile, elles sont souvent choisies par les fabricants. La chimie de ce modèle plomb-acide signifie que ces batteries peuvent fournir un courant de pointe apprécié par les ingénieurs qui recherchent des sources d'alimentation appropriées pour des technologies telles que les starters automobiles. Les starters tirent leur courant d'entrée maximal lorsque l'on met initialement le contact ; le fait que la batterie plomb-acide peut gérer cette demande de courant de pointe est un aspect crucial du démarrage d'un moteur.

 

Caractéristiques techniques

Une batterie standard comporte deux électrodes, appelées anode et cathode, et une « substance conductrice » appelée électrolyte. Lorsqu'on met la batterie dans un circuit fermé, un flux d'électrons se crée entre les électrodes à l'extérieur et l'électrolyte à l'intérieur. Le résultat net est que la charge de la batterie est déchargée et transférée à l'appareil dans lequel la batterie est placée. En fait, l'énergie chimique stockée est épuisée et transformée en puissance électrique.

Les deux principaux types de batteries sont « liquide » et « sèche ». Les batteries liquides utilisent un électrolyte liquide et, malgré la tendance générale en faveur des piles sèches, restent utilisées en laboratoire pour démontrer les principes fondamentaux de la puissance des piles, et sont largement employées dans l'industrie automobile.

Les piles sèches utilisent une pâte composée comme électrolyte et sont scellées dans un boîtier contenant une anode en zinc (l'électrode positive) et une cathode en carbone formant une tige centrale au centre. Dans une batterie zinc-carbone standard, l'électrolyte est généralement du chlorure d'ammonium.

Capacité et efficacité

La capacité d'une batterie est définie comme la quantité de charge électrique délivrée par la pile à sa tension de classement. Celle-ci dépend de la quantité d'électrolyte se trouvant dans la pile ; les piles plus petites ont donc une capacité inférieure.

Comme pour toutes les sources d'énergie, des facteurs variables influencent la capacité à fournir une charge stockée à une efficacité optimale. La chimie de la pile, la durée de stockage de la pile et les exigences de tension des bornes sont des aspects importants, tout comme la température ambiante dans laquelle la pile doit fonctionner. Les piles stockées depuis longtemps avant de commencer leur vie utile souffrent souvent d'une réduction de capacité car les réactions à l'intérieur de la pile détruisent les porteurs de charge et créent ce que l'on appelle une autodécharge interne.

 

Les batteries dans l'industrie

Les batteries restent essentielles dans le secteur industriel. On les utilise pour fournir une source d'énergie de secours en cas de coupure de courant, et elles sont cruciales pour assurer la continuité du service dans des secteurs tels que la logistique et la fabrication, où les appareils portables sont essentiels pour contrôler, prélever et expédier les produits. Il y a également de nombreuses applications de la puissance des piles primaires et secondaires dans toutes les activités humaines, qui vont des aides auditives aux ordinateurs en passant par les appareils de divertissement personnel.