Batteries rechargeables

Batteries rechargeables

Les batteries rechargeables, aussi appelées accumulateurs, sont des types de batteries électriques comprenant une ou plusieurs cellules électrochimiques. Une batterie rechargeable est capable d'accumuler de l'énergie, de supporter plusieurs cycles de charge et décharge. Elle est appelée « secondaire » parce que ses réactions électrochimiques peuvent être inversées. Par contre, une cellule primaire est une batterie qui ne peut pas être utilisée ni réutilisée dès lors que sa charge est épuisée. Elle est appelée « primaire » parce que ses réactions électrochimiques ne peuvent pas être inversées. Les batteries rechargeables sont disponibles dans différentes formes et ont une gamme étendue d'applications, incluant des dispositifs de petite taille, tels qu'appareils photos, lampes de poche, et aussi de grands formats pour les automobiles, les systèmes mégawatts, jusqu'aux centrales électriques et réseaux de distribution électrique.

 

Un bref historique

En 1749, Benjamin Franklin est le premier à utiliser le mot « batterie » pour décrire un groupe de condensateurs qu'il avait interconnectés pour mener ses expériences sur l'électricité. Cinquante ans plus tard, le physicien Alessandro Volta découvre le processus de la réaction électrochimique, après avoir créé une batterie simple avec des piles de plaques de métal et de papier ou de carton imprégnées de saumure. Depuis, les scientifiques ont considérablement amélioré le concept original de Volta pour créer des batteries avec divers matériaux et une multitude de tailles.

Au fil des cent années suivantes, différentes solutions de stockage de l'énergie électrique ont été inventées, leurs inventeurs leur donnant souvent leur propre nom. Gaston Planté, en 1859, a inventé la première batterie rechargeable en passant un courant inverse à travers une batterie au plomb. Une cellule au plomb comprend une cathode au dioxyde de plomb immergée dans de l'acide sulfurique et une anode en plomb. La réaction des électrodes au contact de l'acide produit du sulfate de plomb. L'anode au plomb dégage des électrons, que le dioxyde de plomb absorbe. Cette réaction produit un courant électrique. Planté a découvert qu'il pouvait recharger la batterie si elle était traversée par un courant inverse, ce qui provoque une inversion de la réaction chimique.

Jusqu'à la fin du vingtième siècle, les batteries sont fabriquées dans un grand nombre de matériaux, tels que nickel cadmium (NiCd), lithium-ion (Li-ion), nickel métal hydrure (NiMH), lithium-ion polymère (Li-ion polymer) et plomb. Le premier prototype de batterie lithium-ion date de 1985. Cette version rechargeable de la batterie lithium était en outre beaucoup plus stable. Sony a commercialisé la batterie lithium-ion en 1991. En 1997, la batterie lithium-ion polymère devint la solution idéale pour les appareils électroniques portables, tels que téléphones portables, ordinateurs ultraportables, grâce à sa flexibilité et une densité à haute énergie. Dix ans plus tard, le Department of Materials Science and Engineering de l'université de Stanford a développé la batterie à nanofils. Environ en même temps, la batterie auto-rechargeable souple et mince comme du papier fait son apparition. Elle combine une batterie lithium-polymère extrêmement souple et mince avec une cellule organique photovoltaïque à film mince. Cette batterie se recharge dès qu'elle est exposée à la lumière.

Les derniers développements des batteries rechargeables se concentrent sur le potentiel du sodium-soufre et du lithium-soufre comme solutions économiques, ayant un impact faible sur l'environnement. Les chercheurs ont affirmé que leur capacité est quatre fois supérieure à celle des batteries lithium-ion.

 

Chargeur de batterie automobile

Les batteries rechargeables pour automobiles sont appelées batteries SLI, abréviation anglaise de « Starter, Lighting, Ignition » (démarreur, éclairage, contact). Certains véhicules utilisent un autre type de batterie, par exemple, les batteries lithium-ion qui équipent des modèles Porsche. Depuis 2008, les progrès de la technologie des batteries ont créé une véritable renaissance des voitures électriques, pouvant être alimentées à domicile, et par un réseau de stations de recharge. Les batteries automobiles se rechargent dès que le moteur tourne. Mais si le système est défectueux, la batterie se vide et un chargeur externe est nécessaire.

Les types de chargeurs de batteries automobiles les plus récents offrent une fonction de suivi de la charge. Ils peuvent faire varier le courant pour éviter d'endommager la batterie. Ils peuvent aussi être alimentés par le secteur et fournir une charge suffisante en quelques minutes. Les meilleurs types de chargeurs pour batteries automobiles ont plus d'un mode fonctionnel et peuvent effectuer des charges d'appoint en plus des charges complètes. Il est également possible d'utiliser des chargeurs d'urgence pour recharger une batterie vide grâce à une prise 12 volts dans le véhicule.

 

Chargeur de batterie solaire

Un chargeur de batterie solaire convertit le rayonnement solaire en courant continu. Le courant continu (CC) a la particularité de circuler dans une seule direction, contrairement au courant alternatif (CA) qui change périodiquement de direction. Habituellement portable, un chargeur solaire peut aussi être fixe, alimenté par des panneaux photovoltaïques. Souvent, les panneaux solaires sont reliés à un réseau électrique. Par contre, les chargeurs de batteries solaires portables s'utilisent indépendamment d'un réseau, par exemple sur des bateaux, automobiles ou caravanes, mobiles homes, et autres véhicules de loisirs.

Bon nombre de chargeurs solaires portables sont uniquement alimentés en énergie par le soleil, alors que certains peuvent fonctionner en basse lumière, lorsque le ciel est couvert, selon la technologie utilisée. Normalement, les chargeurs solaires portables servent à fournir une charge d'appoint, pour que la batterie connectée reste constamment à son niveau de charge maximal, la rechargeant au fur et à mesure qu'elle s'autodécharge. Certains chargeurs solaires peuvent recharger totalement des batteries, selon leur puissance en watts.

 

Batteries rechargeables AA

Les tailles de batteries varient considérablement et portent des étiquettes différentes selon le pays. Au Royaume-Uni, les batteries AA rechargeables mesurent 14,5 mm de diamètre et 50,5 mm de long. Les premières batteries rechargeables étaient au Nickel Cadmium (NiCd). Ces modèles sont maintenant en voie de disparition rapide du fait de leur faible capacité. De plus, le cadmium est un métal lourd qui sera interdit au cours des prochaines années dans les appareils de grande consommation à cause de son impact sur l'environnement.

Actuellement, les batteries rechargeables Nickel Métal Hydrure (NiMH) sont les plus puissantes, les plus économiques et les plus disponibles. Elles sont devenues extrêmement demandées, en particulier par les amateurs de photographie numérique. Elles offrent jusqu'à trois fois la capacité des anciennes NiCd et leur performance est dix fois supérieure à celle des batteries alcalines. Elles sont donc très appréciées pour les applications à forte consommation. Un paquet de quatre batteries rechargeables AA NiMH coûte seulement quelques Euros et elles peuvent être rechargées très rapidement.

 

Batteries d'appareils photos

Un paquet de batteries rechargeables pour appareil photo numérique est une excellente ressource, en particulier les modèles AA NiMH. Elles sont économiques et assurent des centaines de charges avant d'être remplacées. Cette option est plus économique et écologique que l'achat répété de batteries jetables. Les batteries NiMH ayant au moins une capacité de 2000 mAh offrent une durée de vie maximale. Plus leur indice est élevé, plus leur capacité est élevée. En général, la capacité maximale d'une batterie rechargeable AA NiMH est de 2850 mAh environ.

À long terme, pour optimiser la durée de vie des batteries rechargeables pour appareils photos, il est préférable de les vider complètement avant de les recharger. De nombreux fabricants conseillent les batteries AA Lithium-ion (Li-ion), qui offrent une plus grande capacité.

 

Importants éléments techniques

Les batteries SLI (le type utilisé pour les véhicules à moteur) sont normalement au plomb et comprennent six cellules galvaniques pour les systèmes 12 volts. Chaque cellule fournit 2,1 volts pour un total de 12,6 volts lorsque la batterie est totalement chargée. Les poids lourds ont le plus souvent un moteur diesel et deux batteries en série, pour créer un système 24 volts. Des batteries montées en parallèle peuvent aussi être utilisées.

Les chargeurs de batteries solaires convertissent l'énergie solaire pour recharger les batteries et sont généralement portables. Ils peuvent charger des batteries au plomb, ou Ni-Cd, avec une capacité de plusieurs centaines d'ampères-heures (jusqu'à 400 Ah) et 48 volts. Habituellement, des contrôleurs de charge « intelligents » sont utilisés. Ils combinent une série de plaques solaires installées séparément et le plus souvent sur un toit, et connectées à une série de batteries. Ce type de système peut fonctionner en plus des chargeurs alimentés par le secteur pour économiser l'énergie pendant la journée.

Une batterie rechargeable AA est une cellule électrochimique, dont la tension terminale et la capacité sont déterminées par la technologie chimique. Les batteries rechargeables AA sont disponibles dans une grande variété de formes : nickel–cadmium (NiCd) avec une capacité de 500–1100 mAh ; nickel–métal hydrure (NiMH) dont la capacité varie entre 1300–2700 mAh ; lithium-ion dont la tension nominale est de 3,6 volts, souvent appelée batterie li-ion 14500. Plus de cinquante pour cent des batteries vendues dans le monde sont des AA.

Comme les appareils photos numériques sont de plus en plus compacts, la demande en batteries de plus en plus petites et plus puissantes continue de progresser. Les batteries rechargeables les plus courantes sont les AA, jetables et rechargeables. Les types AAA, CR2 et CR-V3 sont aussi utilisées pour certains appareils photos. Les batteries CR2 et CR-V3 sont au lithium et ne peuvent pas être rechargées. En outre, des batteries propriétaires sont construites d'après des spécifications spéciales de leur fabricant. Presque toutes les batteries propriétaires disponibles sont au lithium-ion.

 

Fonctionnement des batteries : illustration scientifique

Fondamentalement, les batteries sont des sources d'énergie mobiles qui permettent d'utiliser une très grande variété d'appareils et d'instruments lorsqu'une connexion au secteur n'est pas disponible. Leur rôle consiste à stocker l'énergie électrique dans un format mobile ou portable.

L'électricité est un flux d'électrons qui circule sur un conducteur ou un système conducteur appelé circuit. Ce conducteur est le plus souvent un fil. Lorsqu'un circuit électrique est connecté à une batterie, trois éléments séparés sont activés. Ce sont : une anode marquée (-) ; une cathode marquée (+) ; et l'électrolyte. Les réactions chimiques dans la batterie induisent une accumulation des électrons sur l'anode. Il existe donc une différence électrique entre la cathode et l'anode. Les électrons tentent normalement de se réorganiser en se déplaçant vers la cathode en traversant le circuit (fil), activant au passage tout dispositif connecté, tel qu'une ampoule électrique. Mais dans une batterie, les processus électrochimiques modifient les produits chimiques au niveau de la cathode et de l'anode pour limiter la production d'électrons et par conséquent la puissance de la batterie.

Pour recharger une batterie, on utilise une autre source d'énergie (par exemple, des panneaux solaires) qui apporte un flux d'électrons dans la direction opposée. Les processus électrochimiques sont donc inversés. L'état original de la cathode et de l'anode est rétabli et elles retrouvent leur capacité à fournir leur puissance maximale.

 

La fabrication

Au Royaume-Uni et en Irlande, l'association nationale pour le commerce et l'industrie des batteries portables est la British Battery Manufacturers Association (BBMA). Concernant les réglementations britanniques et européennes, la directive sur les batteries européennes vise à améliorer la performance écologique des accumulateurs et des batteries, et à réduire leur impact sur l'environnement. Une des principales approches consiste à définir des objectifs de collecte et de recyclage pour les batteries portables usagées.

Les exigences de cette directive ont été transposées dans la législation britannique et sont entrées en vigueur le 5 mai 2009. Elles mettent en place une série de nouvelles mesures importantes. Elles imposent aux fabricants de batteries de prendre en charge la collecte et le recyclage des batteries usagées. Elles définissent des objectifs de collecte de 25 % qui devront être atteint en 2012 et de 45 % en 2016.

La BBMA continue de communiquer avec les parties prenantes de l'industrie et le gouvernement pour garantir que tous les fabricants collaborent pour atteindre les objectifs et que les consommateurs connaissent les options de recyclage disponibles.

Depuis février 2010, les distributeurs qui fournissent 32 kg ou plus de batteries portables par an à un point de vente individuel, ou par la vente en ligne, par correspondance ou par télévente, ont de nouvelles obligations. Ces nouvelles obligations sont définies par les réglementations sur les batteries, et elles incluent la création de systèmes de collecte des batteries usagées.

Au Royaume-Uni, six programmes de conformité des batteries (BCS) sont responsables de la collecte, du traitement et du recyclage des batteries au nom des grands fabricants, définis comme toute entreprise qui commercialise plus d'une tonne de batteries portables par an sur le marché britannique.